金属疲劳试验讲述

1、中南大学材料科学与工程学院中南大学材料科学与工程学院中南大学材料科学与工程学院氧化 中南大学材料科学与工程学院 裂纹源断裂区裂纹扩展区条纹 中南大学材料科学与工程学院断裂区裂纹源裂纹扩展条纹中南大学材料科学与工程学院 928保时捷齿轮中南大学材料科学与工程学院曲轴断裂齿轮断裂中南大学材料科学与工程学院自行车曲柄蜘蛛臂疲劳裂纹源中南大学材料科学与工程学院中南大学材料科学与工程学院中南大学材料科学与工程学院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断裂韧性裂纹亚稳扩展阶段失稳扩展阶段中南大学材料科学与工程学院中南大学材料科学与工程学院循环滑

2、移带生成和一个纯铜试样的裂纹 Sm=0，Sa=77.5MPa N=2106中南大学材料科学与工程学院夹杂晶界中南大学材料科学与工程学院 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中南大学材料科学与工程学院载荷条件（应力状态、应力比、过、次载情况、平均应力

3、）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中南大学材料科学与工程学院材料因素化学成分组织结构纤维方向内部缺陷中南大学材料科学与工程学院中南大学材料科学与工程学院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）中南大学材料科学与工程学院23sin2sin12cos2rKIx23sin2sin123cos2rKIy23cos2cos2sin2rKIxy应力分量：)(YXZ0Z（平面应变）（平面应力）欧文（Irwin)

4、中南大学材料科学与工程学院位移分量（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中南大学材料科学与工程学院 = 0 则： 002limyrIrKrKIyx20 xy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= 0aYKI中南大学材料科学与工程学院WafaCKI* *-半无限边缘缺口

5、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)中南大学材料科学与工程学院 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 Ps, 则PQ = Ps - 若 Pmax / PQ 1.10, 那么- 到 K

6、(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 B,YICKa中南大学材料科学与工程学院中南大学材料科学与工程学院a =maxmin2应力幅平均应力m =maxmin2+min = 0a = max / 2m =a = maxmax = - min中南大学材料科学与工程学院二、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中南大学材料科学与工程学院中南大学材料科

7、学与工程学院中南大学材料科学与工程学院四.疲劳S-N曲线中南大学材料科学与工程学院中南大学材料科学与工程学院11tffKKqKt 理论应力集中系数Kf 疲劳缺口系数Steel中南大学材料科学与工程学院aYaYaYKKKminmaxminmax中南大学材料科学与工程学院 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nKcdNda)(中南大学材料科学与工程学院thKaYKaYKth中南大学材料科学与工程学院中南大学材料科学与工程学院中南大学

8、材料科学与工程学院中南大学材料科学与工程学院中南大学材料科学与工程学院中南大学材料科学与工程学院中南大学材料科学与工程学院中南大学材料科学与工程学院中南大学材料科学与工程学院中南大学材料科学与工程学院中南大学材料科学与工程学院中南大学材料科学与工程学院（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中南大学材料科学与工程学院（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）疲劳寿命缺口试样中南大学材

9、料科学与工程学院一、平面应变断裂韧度测试测试内容：KIC测试标准：ASTM E8测试仪器：MTS 810 测试方法：按照ASTM E399，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=20Hz，正弦波加载）。预制完成后，轴向加载至试样断裂。记录载荷与COD位移曲线（P-V曲线）。量取断口表面及1/4/、1/2、3/4厚度处预制裂纹长度，并取平均值以对最终预制裂纹长度进行校正。根据P-V曲线计算试验数据，并将其带入判据以得到KIC数据。72.655766.9475571.6962468.310770.2050269.96304中南大学材料科学与工程学院试验报告要求：描述一种或一种以上金属疲劳试验方法中南大学材料科学与工程学院人有了知识，就会具备各种分析能力，明辨是非的能力。所以我们