1、金属疲劳试验一、实验目的1.了解金属轴向疲劳测试方法、断裂韧性Kic测试方法及裂纹扩展速率DA/DN测试方法。2.了解疲劳试验机工作原理 1988年4月28日阿罗哈航空波音737200型客机243号班机在飞行途中发生爆裂性失压的事故，约头等舱部位的上半部外壳完全破损，机头与机身随时有分离解体的危险，但10多分钟后奇迹地安全迫降。事件当时，一名机组人员不幸被吸出机舱外死亡，而其余65名机组人员和乘客则分别受到轻重伤。氧化 裂纹源断裂区裂纹扩展区条纹 断裂区裂纹源裂纹扩展条纹 928保时捷齿轮曲轴断裂齿轮断裂自行车曲柄蜘蛛臂疲劳裂纹源 2011年4月1日下午，美国西南航空公司一架波音737客机飞机
2、中段过道上方机身有一个1.8米长的破洞。所幸飞机成功迫降，安全专家表示，机身出现破洞是金属疲劳现象引起的。一、引言一、引言n工程材料对循环变形和对波动载荷作用下的裂纹萌生与成长的敏感性是许多工程应用中一个相当重要的课题。n疲劳通常指的是由于应力或应变的反复作用而引起材料性能发生变化，导致了开裂或失效。n有关工程材料疲劳的研究大约已经有160多年的历史。n据统计，疲劳破坏在整个失效件中占80%以上。n结构疲劳正作为一个重大的问题进行研究。二、疲劳损伤过程及机理二、疲劳损伤过程及机理循环滑移裂纹形核微观裂纹扩展 宏观裂纹 扩展最终断裂裂纹萌生阶段Kt应力集中系数K应力强度因子KIC断裂韧性裂纹亚稳
3、扩展阶段失稳扩展阶段2 2、疲劳裂纹萌生过程、疲劳裂纹萌生过程2.1 滑移带开裂产生裂纹 金属在循环应力的作用下，即使其应力低于屈服应力，也会发生循环滑移并形成循环滑移带。随着加载循环次数的增加，循环滑移带不断地加宽，由于位错的塞积和交割作用，会在滑移带处形成微裂纹。在裂纹的萌生期，疲劳是一种发生在材料表面的现象。在裂纹的萌生期，疲劳是一种发生在材料表面的现象。循环滑移带生成和一个纯铜试样的裂纹 Sm=0，Sa=77.5MPa N=21062.2 相界面开裂产生裂纹 在大量的疲劳失效分析中发现很多疲劳源是有材料中的第二相或夹杂引起的。2.3 晶界开裂产生裂纹 多晶体材料由于晶界的存在和相邻晶粒
4、的不同取向性，位错在某一晶粒内运动时会受到晶界的阻碍作用，在晶界处发生位错塞积和应力集中现象。在应力不断循环下晶界处的应力集中得不到松弛时，应力峰越来越高，当超过晶界强度时就会在晶界处产生裂纹。夹杂晶界拉拉加力:试样宽度W小于或等于7 5 m m时.有限宽度的中心开裂纹试样W/20B W/4由于疲劳试验时试验数据分散性较大，因此从破坏几率和可靠性考虑，需要在每一应力水平下选一组试样，测定每个试样的疲劳寿命，然后用概论统计方法将这些数据进行处理，绘制不同破坏几率的一簇疲劳曲线，称为PSN曲线。试样工作长度应满足如 下要求变动载荷是引起疲劳破坏的外力，是指载荷大小，甚至方向随时间变化的载荷，其单位
5、面积上的平均值为变动应力。弹性应力场方程的推导 假设有无限大板，其中有2a长的I型裂纹，在无限远处作用有均匀拉应力，应用弹性力学何以分析裂纹尖端附近的应力场、应变场。2011年4月1日下午，美国西南航空公司一架波音737客机飞机中段过道上方机身有一个1.（二）金属循环硬化与循环软化一、变动载荷和循环应力疲劳断裂和其它断裂一样，其断口保留了整个断裂过程的所有痕迹，记载着很多疲劳信息，具有明显的形貌特征。试样与COD规的连接位移分量（平面应变状态）：ASTM Standard Single Edge notched Bend(SENB)Specimen-作一条偏移5%的直线（OA斜率的95相当于至
6、裂纹扩展2）-Ps:偏移 5%直线与 P-v 曲线的交点0 2 5 W,则预制裂纹无效。则应力比 R=min/max在大量的疲劳失效分析中发现很多疲劳源是有材料中的第二相或夹杂引起的。疲劳微裂纹萌生后即进入裂纹扩展阶段，根据裂纹扩展方向，裂纹扩展可分为两个阶段，第一阶段时从个别侵入沟或挤出脊先行成微裂纹，然后沿最大切应力方向向内扩展，此时，如果微裂纹扩展到一些相邻的晶粒颗粒时，由于邻近晶粒的存在对滑位移的约束，扩展过程中多数微裂纹成为不扩展裂纹。只有个别微裂纹会扩展为25个晶粒范围。第二阶段是裂纹垂直与加载方向扩展，最后形成剪切唇为止。内部缺陷缺口或划伤裂纹形核滑移4.影响疲劳强度的因素 工作
7、条件载荷条件（应力状态、应力比、过、次载情况、平均应力）载荷频率环境温度环境介质表面状态及尺寸因素尺寸效应表面粗糙度缺口效应表面处理及残余内应力表面喷丸及滚轧表面热处理表面化学热处理表面涂层材料因素化学成分组织结构纤维方向内部缺陷金属的断裂韧度金属的断裂韧度1.裂纹扩展的基本形式：一一.线弹性条件下的金属断裂韧度线弹性条件下的金属断裂韧度张开型（I型）滑开型（II型）撕开型（III型）金属的断裂韧度金属的断裂韧度2.弹性应力场方程的推导 假设有无限大板，其中有2a长的I型裂纹，在无限远处作用有均匀拉应力，应用弹性力学何以分析裂纹尖端附近的应力场、应变场。如用极坐标表示，则各点（r,)的应力分量
8、、应变分量和位移分量可以近似表达为23sin2sin12cos2rKIx23sin2sin123cos2rKIy23cos2cos2sin2rKIxy应力分量：)(YXZ0Z（平面应变）（平面应力）欧文（Irwin)位移分量（平面应变状态）：22sin212cos21vrKEvuI2cos)1(22sin21vrKEvI23cos2cos2sin2)1(2rEKvIxy23sin22sin212cos21vKrEvIx应变分量（平面应变状态）：23sin22sin212cos21vKrEvIy式中:泊松比 E 拉伸杨氏模量v =0 则 002limyrIrKrKIyx20 xy式中 KI 值的
9、大小直接影响应力场的大小，KI 可以表示应力场的强弱程度故称为应力场强度因子 当=0aYKIWafaCKI*-半无限边缘缺口试样-有限宽度的中心开裂纹试样-有限宽度的边缘缺口试样半无限宽边缘缺口试样aKI*12.1有限宽度的中心开裂纹试样WaaWaKItanf(a/W)单边缺口试样(SEN)双边缺口试样（DEN）SEN:DEN:43221040.3768.3820.0122.1122.1*WaWaWaWaWaaKI0.5%accurate for any a/W 432382.30710.21550.10231.0122.1*WaWaWaWaaKI0.5%accurate for a/W 1
10、2 7 mm的试样，测量裂纹长度应准确到0.裂纹源了解金属轴向疲劳测试方法、断裂韧性Kic测试方法及裂纹扩展速率DA/DN测试方法。5MPa N=2106）若前后表面裂纹长度测量值之差超过0.ASTM Standard Compact Tension(CT)Specimen应变分量（平面应变状态）：多晶体材料由于晶界的存在和相邻晶粒的不同取向性，位错在某一晶粒内运动时会受到晶界的阻碍作用，在晶界处发生位错塞积和应力集中现象。循环应力的波形主要有正弦波、矩形波、三角波等，其中最常见的是正弦波。（b）疲劳裂纹扩展速率试样；预制疲劳裂纹长度的要求如下:如果 Ps 之前P 的值 Ps,则PQ=Ps事故
11、原因是由裂缝氧化导致金属疲劳引起Kt 理论应力集中系数应力比 R=min/max试样使用三点弯曲样、中心裂纹试样（CCT）或紧凑拉伸试样（CT），先预制疲劳裂纹，固定应力比R和应力幅条件下循环加载，观察裂纹长度a随N循环扩展增长情况。疲劳试验机工作原理图疲劳试验机工作原理图参照标准参照标准:ASTM E-399,疲劳预裂纹试样ASTM Standard Single Edge notched Bend(SENB)SpecimenASTM Standard Compact Tension(CT)SpecimenWafWBSLOADKI*23式中2322112127.293.315.2199.13
12、WaWaWaWaWaWaWaWafWafWBLOADKI*21 式中2343216.572.1432.1364.4886.02WaWaWaWaWaWaWaf试样取样规则断裂韧性试样断口例图试样与COD规的连接 KIC 试验典型载荷位移曲线分析：分析：-作一条偏移5%的直线（OA斜率的95相当于至裂纹扩展2）-Ps:偏移 5%直线与 P-v 曲线的交点-如果 Ps 之前P 的值 Ps,则PQ=Ps-若 Pmax/PQ 1.10,那么-到 K(PQ)公式:计算 KQ(条件 KIC)-如果试样尺寸满足要求,即 则 -检查裂纹前端是否是基本对称的,对称的则KQ=KIC(有效测试有效测试)25.2a-W
13、 B,YICKa金属的疲劳金属的疲劳一、变动载荷和循环应力 1.变动载荷 变动载荷是引起疲劳破坏的外力，是指载荷大小，甚至方向随时间变化的载荷，其单位面积上的平均值为变动应力。变动应力可分为循环应力和无规随机应力。2.循环应力 循环应力的波形主要有正弦波、矩形波、三角波等，其中最常见的是正弦波。循环应力可用几个参数表示 最大应力max 最小应力min 应力比 R=min/maxa=maxmin2应力幅平均应力m=maxmin2+min=0a=max/2m=a=maxmax=-min二、疲劳特点1.低应力循环延时断裂，即具有寿命的断裂2.疲劳是脆性断裂3.疲劳对缺陷（缺口、裂纹及组织缺陷）十分敏
14、感。4.疲劳断口上有明显的疲劳源和疲劳扩展区三、疲劳宏观断口特征 疲劳断裂和其它断裂一样，其断口保留了整个断裂过程的所有痕迹，记载着很多疲劳信息，具有明显的形貌特征。断口分析是研究疲劳过程和分析失效原因的重要方法之一。典型的疲劳断口具有三个形貌不同的区域疲劳源、疲劳区及瞬断区。疲劳源特点光亮而平滑 疲劳区特点断口光滑并分布有贝纹线，有时还有裂纹扩展台阶 贝纹线凹侧指向疲劳源，凸侧指向裂纹扩展方向。近疲劳源者贝纹线较密，远则疏。瞬断区特点脆性材料为结晶状断口；韧性材料则中间平面应变区 为放射状或人字纹断口，边缘平面应力区为剪切唇。四.疲劳S-N曲线ASTM Standard Single Edg
15、e notched Bend(SENB)Specimen=0 则2011年4月1日下午，美国西南航空公司一架波音737客机飞机中段过道上方机身有一个1.当KKth da/dN=0 因此Kth 疲劳裂纹不扩展的K的临界值，称为疲劳裂纹扩展门槛值-作一条偏移5%的直线（OA斜率的95相当于至裂纹扩展2）-Ps:偏移 5%直线与 P-v 曲线的交点II区是疲劳裂纹扩展的主要阶段，占据亚稳扩展的绝大部分，是决定疲劳寿命的主要组成部分。疲劳对缺陷（缺口、裂纹及组织缺陷）十分敏感。只有个别微裂纹会扩展为25个晶粒范围。当KKth da/dN=0 因此Kth 疲劳裂纹不扩展的K的临界值，称为疲劳裂纹扩展门槛
16、值不能用SN曲线描述而要用tN曲线描述材料的疲劳规律。区是疲劳扩展的最后阶段，其da/dN很大，并随K增加而更快地增大对于M (T)试样，推荐的试样厚度上限为W/8,所必要的最小厚度要能避免属曲屈.弹性应力场方程的推导 假设有无限大板，其中有2a长的I型裂纹，在无限远处作用有均匀拉应力，应用弹性力学何以分析裂纹尖端附近的应力场、应变场。裂纹源位移分量（平面应变状态）：到 K(PQ)公式:计算 KQ(条件 KIC)应变分量（平面应变状态）：若 Pmax/PQ 1 2 7 mm的试样，测量裂纹长度应准确到0.2 5 mm以内);b.）若前后表面裂纹长度测量值之差超过0.2 5 B或左右两侧裂纹长度测量值之差(取前后表面的算术平均值)超过 0.0 2 5 W,则预制裂纹无效。n验证是否满足判据典型试验案例典型试验案例（d）（c）（a）（b）（e）（a）拉伸试验试样；（b）疲劳裂纹扩展速率试样；（c）疲劳寿命缺口试样；（d）疲劳寿命光滑试样；（e）平面应力断裂韧性试样（e）（f）（a）（b）（d）（c）a）拉伸试验试样；b）压缩试验试样；c）应力腐蚀试验试样；d）断裂韧度试验试样；e）疲劳寿命光滑试样；f）疲劳寿命缺口试样
