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实验三 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737 200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 事故原因是由裂缝氧化导致金属疲劳引起 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 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 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 有关工程材料疲劳的研究大约已经有160多年的历史 据统计 疲劳破坏在整个失效件中占80 以上 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 1 疲劳过程 2 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 循环滑移带生成和一个纯铜试样的裂纹Sm 0 Sa 77 5MPaN 2 106 2 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 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2 5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 3 裂纹扩展阶段 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 1 裂纹扩展的基本形式 一 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 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 应变分量和位移分量可以近似表达为 应力分量 平面应变 平面应力 欧文 Irwin 位移分量 平面应变状态 应变分量 平面应变状态 式中 泊松比E 拉伸杨氏模量 0则 式中KI值的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 0r 0时由上式可得 裂纹I型应力场强度系数的一般表达式 Y 裂纹形状系数 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 有限宽度的中心开裂纹试样 单边缺口试样 SEN 双边缺口试样 DEN SEN DEN 0 5 accurateforanya W 0 5 accuratefora W 0 6 3 断裂韧度KIC断裂K判据KIC为平面应变下的断裂韧度 表示在平面应变条件下材料抵抗裂纹失稳的能力 C 断裂应力或断裂强度 C 断裂时临界裂纹尺寸 MPa 裂纹失稳扩展脆断的断裂K判据 裂纹体受力时 只有满足上述条件就会发生脆性断裂 反之 即使存在裂纹 也不会断裂 此称为破损安全 高强度马氏体时效钢不同试样厚度的KC变化 4 断裂韧度试验 疲劳试验机工作原理图 参照标准 ASTME 399 疲劳预裂纹试样 ASTMStandardSingleEdgenotchedBend SENB Specimen ASTMStandardCompactTension CT Specimen 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 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 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 max 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 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P S N曲线 五 疲劳缺口敏感度疲劳缺口敏感度 Kt 理论应力集中系数Kf 疲劳缺口系数 六 疲劳裂纹扩展及疲劳门槛值1 疲劳裂纹扩展曲线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 I区是疲劳裂纹的初始扩展阶段 所占扩展寿命不长 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 可用Paris公式 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 2 疲劳扩展门槛值 Kth当 K Kthda 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裂纹不疲劳断裂 无限寿命 的校核公式 无限疲劳寿命的承载能力 金属材料疲劳裂纹扩展速率试验方法 在室温及大气环境条件下用标准紧凑拉伸C T 试样 以下简称C T 试样 标准中心裂纹拉伸M T 试样 以下简称M T 试样 标准单边缺口三点弯曲SE B 试样 以下简称SE B 试样 测定金属材料大于10 5mm cycle的恒力幅疲劳裂纹扩展速率 测定小于10 8mm cycle的低速疲劳裂纹扩展速率和疲劳裂纹扩展门槛值 Kth 一 试样形状及尺寸 标准M T 试样 试样工作长度应满足如下要求 拉 拉加力 试样宽度W小于或等于75mm时 采用单销加力 加力孔之间的距离应大I或等于3W 特殊几何形状M T 试样的W大于75mm时 采用多排螺栓夹紧 采用多排螺栓夹紧 试样两端最里面一排螺钉孔间的距离应大于或等于1 7W拉 压加力 采用夹板夹紧 夹板内边缘之间的距离L应大于或等于1 2W标准SE B 试样 如图3所示 跨距S取4W 试样厚度 对于C T 试样 推荐试样厚度的范围如下 W 20 B W 4式中W大于或等于25mm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 弯曲应变不超过名义应变的5 对于SE B 试样 推荐试样厚度的范围为 0 2W B W 七 低周疲劳 一 特点 1 高应力及产生宏观塑性变形2 不能用S N曲线描述而要用 t N曲线描述材料的疲劳规律 3 低周疲劳破坏有几个裂纹源4 低周疲劳寿命决定于塑性应变幅 二 金属循环硬化与循环软化 预制疲劳裂纹长度的要求如下 a 在前后表面上从切口顶端到疲劳裂纹尖端测量裂纹长度 M T 试样前后表面均要测左右两个裂纹长度 测量应准确到士0 1mm或士0 002W中较大者 所测各个裂纹长度均应大于0 1B和切口宽度h 见图5 但不得小于1mm W 127mm的试样 测量裂纹长度应准确到0 25mm以内 b 若前后表面裂纹长度测量值之差超过0 25B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 025W 则预制裂纹无效 验证是否满足判据 典型试验案例 d c 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 a b 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 一 平面应变断裂韧度测试测试内容 KIC测试标准 ASTME8测试仪器 MTS810测试方法 按照ASTME399 本试验所用试样为紧凑拉伸试样 CT B 35mm W B 2 如图16所示 试验前依次用1000 水磨砂纸 400 800 1600 金相砂纸对缺口附近样品表面进行打磨 以减少样品表面缺陷对试验结果的影响 将试样装夹完成后 以疲劳的方式预制约3mm的疲劳裂纹 R 0 1 f 2