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1、实验三、实验三、金属轴向疲劳（金属轴向疲劳（S-N)S-N)、断裂韧性、断裂韧性（K KICIC、Kc)Kc)、裂纹扩展速率演示实验、裂纹扩展速率演示实验金属材料力学性能测试实验 19881988年年4 4月月2828日阿罗哈航空波音日阿罗哈航空波音737-200737-200型客机型客机243243号班机在飞行途中发生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，但有分离解体的危险，但1010多分钟后奇迹地安全迫降。事件当时，一名机组人多分钟后奇迹地安全迫降。事件当时，
2、一名机组人员不幸被吸出机舱外死亡，而其余员不幸被吸出机舱外死亡，而其余6565名机组人员和乘客则分别受到轻重伤。名机组人员和乘客则分别受到轻重伤。事故原因是事故原因是由裂缝由裂缝腐蚀导致金属疲劳引起导致金属疲劳引起 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曲轴断裂齿轮断裂自行车曲柄蜘蛛臂疲劳裂纹源 20112011年年4 4月月1 1日下午，美国西南航空公司一架波音日下午，美国西南航空公司一架波音737737客机飞机中段过道上客机飞机中段过道上方机身有一个方机身有一个1.81.8米长的破洞。所幸飞机成功迫降，安全专家表示，机身出现破米长的破洞。所幸飞机成功迫降，安全专家表示，机身出
3、现破洞是金属疲劳现象引起的。洞是金属疲劳现象引起的。一、实验目的一、实验目的：n n1了解金属轴向疲劳试验、断裂韧性试验、裂纹扩展速率试验方法及步骤。疲劳试验机工作原理图疲劳试验机工作原理图疲劳试验机工作原理图疲劳试验机工作原理图n 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。是许多工程应用中一个相当重要的课题。n 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，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。导致了开裂或失效。n n
4、有关工程材料疲劳的研究大约已经有有关工程材料疲劳的研究大约已经有160160多年的历史。多年的历史。n n据统计，疲劳破坏在整个失效件中占据统计，疲劳破坏在整个失效件中占80%80%以上。以上。n n结构疲劳正作为一个重大的问题进行研究。结构疲劳正作为一个重大的问题进行研究。疲劳损伤过程及机理疲劳损伤过程及机理疲劳损伤过程及机理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1. 1. 疲劳过程疲劳过程裂纹亚稳扩展阶段失稳扩展阶段一、变动载荷和循环应力一、变动载荷和循环应力 1. 1.变动载荷变动载荷 变动载荷是引起
5、疲劳破坏的外力，是指载荷大小，甚至方向随时间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。环应力和无规随机应力。 2. 2.循环应力循环应力 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。是正弦波。 循环应力可用几个参数表示：循环应力可用几个参数表示： 最大应力最大应力max max 最小应力最小应力min min 应力比应力比 R = R = min min /
6、 /maxmax二、金属的轴向疲劳试验二、金属的轴向疲劳试验a =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）十分敏感。4.疲劳断口上有明显的疲劳源和疲劳扩展区1.疲劳S-N曲线 测定SN曲线（即应力水平循环次数N曲线）采用成组法。至少取五级应力水平，各级取一组试件，其数量分配，因随应力水平降低而数据离散增大，故要随应力水平降低而增多，通常每组5根。升降法求得的，作为SN曲线最低应力水平点。然后，以最大应
7、力为纵坐标，以循环数N或N的对数为横坐标，用最佳拟合法绘制成SN曲线 n n2 2 条件疲劳极限的测定条件疲劳极限的测定n n 测试条件疲劳极限采用升降法，试件取测试条件疲劳极限采用升降法，试件取1313根以上。每级根以上。每级应力增量取预计疲劳极限的应力增量取预计疲劳极限的5 5以内。第一根试件的试验应以内。第一根试件的试验应力水平略高于预计疲劳极限。根据上根试件的试验结果，是力水平略高于预计疲劳极限。根据上根试件的试验结果，是失效还是通过（即达到循环基数不破坏）来决定下根试件应失效还是通过（即达到循环基数不破坏）来决定下根试件应力增量是减还是增，失效则减，通过则增。直到全部试件做力增量是减
8、还是增，失效则减，通过则增。直到全部试件做完。第一次出现相反结果（失效和通过，或通过和失效）以完。第一次出现相反结果（失效和通过，或通过和失效）以前的试验数据，如在以后试验数据波动范围之外，则予以舍前的试验数据，如在以后试验数据波动范围之外，则予以舍弃；否则，作为有效数据，连同其他数据加以利用，按下列弃；否则，作为有效数据，连同其他数据加以利用，按下列公式计算疲劳极限：公式计算疲劳极限：n n式中式中 mm有效试验总次数；有效试验总次数；nn应力水平级数；应力水平级数； i i第第i i级级应力水平；应力水平；i i第第i i级应力水平下的试验次数。级应力水平下的试验次数。 例如某试验过程如图
9、例如某试验过程如图21-2所示，共所示，共14根试件。预计疲劳极限为根试件。预计疲劳极限为390MPa，取其取其2.5约约10MPa为应力增量，第一根试件的应力水平为应力增量，第一根试件的应力水平402MPa，全部试验，全部试验数据波动如图数据波动如图21-2，可见，第四根试件为第一次出现相反结果，在其之前，可见，第四根试件为第一次出现相反结果，在其之前，只有第一根在以后试验波动范围之外，为无效，则按上式求得条件疲劳极限只有第一根在以后试验波动范围之外，为无效，则按上式求得条件疲劳极限如下：如下：MPa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
10、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2.2.弹性应力场方程的推导弹性应力场方程的推导 假设有无限大板，其中有假设有无限大板，其中有2a2a长的长的I I型裂型裂纹，在无限远处作用有均匀拉应力，应用弹纹，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（变场。如用极坐标表示，则各点（r, r, ) )的应力的应力分量、应变分量和位移分量可以近似表达为：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)
11、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 = 0 则：则： 式中式中 K KI I 值的大小直接影响应力场的大小，值的大小直接影响应力场的大小，K KI I 可以表示应力场的强弱程度故称为可以表示应力场的强弱程度故称为应力场强度因子应力场强度因子 当当= 0= 0 r0 r0 时时 由上式可得：由上式可得： 裂纹裂纹I I型应力场强度系数的一般表达式：型应力场强度系数的一般表达式：YY裂纹形状系数裂纹形状系数-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f(a/W) 单边缺口
12、试样 (SEN) 双边缺口试样（DEN）SEN:DEN:0.5% accurate for any a/W 0.5% accurate for a/W 0.6 3.3.断裂韧度断裂韧度K KICIC断裂断裂K K判据判据 K KICIC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纹失稳的能力C C断裂应力或断裂强度断裂应力或断裂强度 C C断裂时临界裂纹尺寸断裂时临界裂纹尺寸 (MPa )(MPa )裂纹失稳扩展脆断的断裂裂纹失稳扩展脆断的断裂K K判据：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，裂纹
13、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。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变化条件：- 小尺度塑性变形- 平面应变Kc = KIC4.断裂韧度试验参照标准参照标准: ASTM E-399, 疲劳预裂纹试样ASTM Standard Single Edge notched Bend (SENB) SpecimenASTM Standard Compact Tension (CT) Specimen式中 式中试样与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
14、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) a1a5a2a4a31.1.疲劳裂纹扩展曲线疲劳裂纹扩展曲线 试样使用三点弯曲样、中心裂纹试样试样使用三点弯曲样、中心裂纹试样（CCTCCT）或紧凑拉伸试样（）或紧凑拉伸试样（CTCT），先），先预制疲劳裂纹，固定应力比预制疲劳裂纹，固定应力比R R和
15、应力和应力幅幅 条件下循环加载，观察裂纹长条件下循环加载，观察裂纹长度度a a随随N N循环扩展增长情况。循环扩展增长情况。 疲劳裂纹扩展及疲劳门槛值 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 K增加而更快地增大增加而更快地增大2.2.疲劳扩展门槛值疲劳扩展门槛值K Kthth 当当KKK Kth th da/dN =0 da/dN =0 因此因此K Kth th 疲劳疲劳裂纹不扩展的裂纹不扩展的K K的临界值，称为疲劳裂的临界值，称为疲劳裂纹扩展门槛值纹扩展门槛值裂纹不疲劳断裂（无限寿命）的校核公式：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：无限疲劳寿命的承载能力：四、实验报告四、实验报告n n实验报告内容要求： 任选一个金属轴向疲劳（金属轴向疲劳（S-N)S-N)、断裂韧性、断裂韧性（K KICIC、Kc)Kc)、裂纹扩展速率、裂纹扩展速率试验方法描述之。
