金屬疲勞試驗(yàn)講述研究

1、實(shí)驗(yàn)三、金屬疲勞試驗(yàn),,一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?.了解金屬軸向疲勞測試方法、斷裂韌性Kic測試方法及裂紋擴(kuò)展速率DA/DN測試方法。2.了解疲勞試驗(yàn)機(jī)工作原理,1988年4月28日阿羅哈航空波音737-200型客機(jī)243號班機(jī)在飛行途中發(fā)生爆裂性失壓的事故，約頭等艙部位的上半部外殼完全破損，機(jī)頭與機(jī)身隨時有分離解體的危險，但10多分鐘后奇跡地安全迫降。事件當(dāng)時，一名機(jī)組人員不幸被吸出機(jī)艙外死亡，而其余65名機(jī)組人員和乘客則分別受到輕重傷。

2、,事故原因是由裂縫氧化導(dǎo)致金屬疲勞引起,,斷裂區(qū),裂紋源,,,裂紋擴(kuò)展條紋,,,928保時捷齒輪,,,曲軸斷裂,齒輪斷裂,,自行車曲柄蜘蛛臂,疲勞裂紋源,2011年4月1日下午，美國西南航空公司一架波音737客機(jī)飛機(jī)中段過道上方機(jī)身有一個1.8米長的破洞。所幸飛機(jī)成功迫降，安全專家表示，機(jī)身出現(xiàn)破洞是金屬疲勞現(xiàn)象引起的。,,,一、引言,工程材料對循環(huán)變形和對波動載荷作用下的裂紋萌生與成長的敏感性是許多工程應(yīng)用中一個相當(dāng)重要的課題。疲勞

3、通常指的是由于應(yīng)力或應(yīng)變的反復(fù)作用而引起材料性能發(fā)生變化，導(dǎo)致了開裂或失效。有關(guān)工程材料疲勞的研究大約已經(jīng)有160多年的歷史。據(jù)統(tǒng)計，疲勞破壞在整個失效件中占80%以上。結(jié)構(gòu)疲勞正作為一個重大的問題進(jìn)行研究。,二、疲勞損傷過程及機(jī)理,1. 疲勞過程,2、疲勞裂紋萌生過程,2.1 滑移帶開裂產(chǎn)生裂紋 金屬在循環(huán)應(yīng)力的作用下，即使其應(yīng)力低于屈服應(yīng)力，也會發(fā)生循環(huán)滑移并形成循環(huán)滑移帶。隨著加載循環(huán)次數(shù)的增加，循環(huán)滑移帶不

4、斷地加寬，由于位錯的塞積和交割作用，會在滑移帶處形成微裂紋。,在裂紋的萌生期，疲勞是一種發(fā)生在材料表面的現(xiàn)象。,循環(huán)滑移帶生成和一個純銅試樣的裂紋 Sm=0，Sa=77.5MPa N=2×106,2.2 相界面開裂產(chǎn)生裂紋 在大量的疲勞失效分析中發(fā)現(xiàn)很多疲勞源是有材料中的第二相或夾雜引起的。2.3 晶界開裂產(chǎn)生裂紋 多晶體材料由于晶界的存在和相鄰晶粒的不同取向性，位錯在某一晶粒內(nèi)運(yùn)動時會受到

5、晶界的阻礙作用，在晶界處發(fā)生位錯塞積和應(yīng)力集中現(xiàn)象。在應(yīng)力不斷循環(huán)下晶界處的應(yīng)力集中得不到松弛時，應(yīng)力峰越來越高，當(dāng)超過晶界強(qiáng)度時就會在晶界處產(chǎn)生裂紋。,,夾雜,,晶界,疲勞微裂紋萌生后即進(jìn)入裂紋擴(kuò)展階段，根據(jù)裂紋擴(kuò)展方向，裂紋擴(kuò)展可分為兩個階段，第一階段時從個別侵入溝或擠出脊先行成微裂紋，然后沿最大切應(yīng)力方向向內(nèi)擴(kuò)展，此時，如果微裂紋擴(kuò)展到一些相鄰的晶粒顆粒時，由于鄰近晶粒的存在對滑位移的約束，擴(kuò)展過程中多數(shù)微裂紋成為不擴(kuò)展裂紋。只有

6、個別微裂紋會擴(kuò)展為2—5個晶粒范圍。第二階段是裂紋垂直與加載方向擴(kuò)展，最后形成剪切唇為止。,3.裂紋擴(kuò)展階段,內(nèi)部缺陷,缺口或劃傷,裂紋形核滑移,4.影響疲勞強(qiáng)度的因素 工作條件,,載荷條件（應(yīng)力狀態(tài)、應(yīng)力比、過、次載情況、平均應(yīng)力）載荷頻率環(huán)境溫度環(huán)境介質(zhì),表面狀態(tài)及尺寸因素,,尺寸效應(yīng)表面粗糙度缺口效應(yīng),表面處理及殘余內(nèi)應(yīng)力,,表面噴丸及滾軋表面熱處理表面化學(xué)熱處理表面涂層,材料因素,,化學(xué)成分組織結(jié)

7、構(gòu)纖維方向內(nèi)部缺陷,金屬的斷裂韌度,1.裂紋擴(kuò)展的基本形式：,一.線彈性條件下的金屬斷裂韌度,張開型（I型） 滑開型（II型） 撕開型（III型）,金屬的斷裂韌度,2.彈性應(yīng)力場方程的推導(dǎo) 假設(shè)有無限大板，其中有2a長的I型裂紋，在無限遠(yuǎn)處作用有均勻拉應(yīng)力，應(yīng)用彈性力學(xué)何以分析裂紋尖端附近的應(yīng)力場、應(yīng)變場。如用極坐標(biāo)表示，則各點(diǎn)（r,θ)的應(yīng)力分量、應(yīng)變分量和位移分量可以近似表達(dá)為：,應(yīng)力分量：,（平面應(yīng)變）

8、,（平面應(yīng)力）,歐文（Irwin),位移分量（平面應(yīng)變狀態(tài)）：,應(yīng)變分量（平面應(yīng)變狀態(tài)）：,式中: ——泊松比 E ——拉伸楊氏模量,θ= 0 則：,式中 KI 值的大小直接影響應(yīng)力場的大小，KI 可以表示應(yīng)力場的強(qiáng)弱程度故稱為應(yīng)力場強(qiáng)度因子,當(dāng)θ= 0 r→0 時 由上式可得：,裂紋I型應(yīng)力場強(qiáng)度系數(shù)的一般表達(dá)式：,Y——裂紋形狀系數(shù),,半無限邊緣缺口試樣有限寬度的中心開裂紋試樣有限寬度的邊緣

9、缺口試樣,半無限寬邊緣缺口試樣,有限寬度的中心開裂紋試樣,,單邊缺口試樣 (SEN) 雙邊缺口試樣（DEN）,SEN:,DEN:,0.5% accurate for any a/W,0.5% accurate for a/W < 0.6,3.斷裂韌度KIC斷裂K判據(jù) KIC為平面應(yīng)變下的斷裂韌度，表示在平面應(yīng)變條件下材料抵抗裂紋失穩(wěn)的能力,σC—斷裂應(yīng)力或斷裂強(qiáng)度

10、 αC—斷裂時臨界裂紋尺寸,(MPa· ),裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展脆斷的斷裂K判據(jù)：,裂紋體受力時，只有滿足上述條件就會發(fā)生脆性斷裂。反之，即使存在裂紋，也不會斷裂。此稱為破損安全。,高強(qiáng)度馬氏體時效鋼不同試樣厚度的KC變化,,4.斷裂韌度試驗(yàn),,,,,,,,疲勞試驗(yàn)機(jī)工作原理圖,,,參照標(biāo)準(zhǔn): ASTM E-399, 疲勞預(yù)裂紋試樣,ASTM Standard Single Edge notched Bend

11、 (SENB) Specimen,ASTM Standard Compact Tension (CT) Specimen,試樣取樣規(guī)則：,斷裂韌性試樣斷口例圖,試樣與COD規(guī)的連接,KIC 試驗(yàn)典型載荷位移曲線,分析：-作一條偏移5 %的直線（OA斜率的95％相當(dāng)于至裂紋擴(kuò)展2％）- Ps: 偏移 5 % 直線與 P-v 曲線的交點(diǎn) 如果 Ps 之前P 的值 > Ps, 則PQ = Ps 若 Pmax / PQ <

12、; 1.10, 那么 到 K(PQ)公式: 計算 KQ (條件 KIC) 如果試樣尺寸滿足要求,即 則 檢查裂紋前端是否是基本對稱的, 對稱的則KQ = KIC (有效測試),,金屬的疲勞,一、變動載荷和循環(huán)應(yīng)力 1.變動載荷 變動載荷是引起疲勞破壞的外力，是指載荷大小，

13、甚至方向隨時間變化的載荷，其單位面積上的平均值為變動應(yīng)力。變動應(yīng)力可分為循環(huán)應(yīng)力和無規(guī)隨機(jī)應(yīng)力。 2.循環(huán)應(yīng)力 循環(huán)應(yīng)力的波形主要有正弦波、矩形波、三角波等，其中最常見的是正弦波。 循環(huán)應(yīng)力可用幾個參數(shù)表示： 最大應(yīng)力σmax 最小應(yīng)力σmin 應(yīng)力比 R = σmin /σmax,二、疲勞特點(diǎn),1.低應(yīng)力循環(huán)延時斷裂，即

14、具有壽命的斷裂2.疲勞是脆性斷裂3.疲勞對缺陷（缺口、裂紋及組織缺陷）十分敏感。4.疲勞斷口上有明顯的疲勞源和疲勞擴(kuò)展區(qū),三、疲勞宏觀斷口特征 疲勞斷裂和其它斷裂一樣，其斷口保留了整個斷裂過程的所有痕跡，記載著很多疲勞信息，具有明顯的形貌特征。斷口分析是研究疲勞過程和分析失效原因的重要方法之一。 典型的疲勞斷口具有三個形貌不同的區(qū)域——疲勞源、疲勞區(qū)及瞬斷區(qū)。 疲勞源特點(diǎn)：光亮而平滑

15、 疲勞區(qū)特點(diǎn)：斷口光滑并分布有貝紋線，有時還有裂紋擴(kuò)展臺階 貝紋線凹側(cè)指向疲勞源，凸側(cè)指向裂紋擴(kuò)展方向。 近疲勞源者貝紋線較密，遠(yuǎn)則疏。 瞬斷區(qū)特點(diǎn)：脆性材料為結(jié)晶狀斷口；韌性材料則中間平面應(yīng)變區(qū) 為放射狀或人字紋斷口，邊緣平面應(yīng)力區(qū)為剪切唇。,,四.疲勞S-N曲線,由于疲勞試驗(yàn)時試驗(yàn)數(shù)據(jù)分散性較大，因

16、此從破壞幾率和可靠性考慮，需要在每一應(yīng)力水平下選一組試樣，測定每個試樣的疲勞壽命，然后用概論統(tǒng)計方法將這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，繪制不同破壞幾率的一簇疲勞曲線，稱為P-S-N曲線。,五、疲勞缺口敏感度 疲勞缺口敏感度：,Kt —理論應(yīng)力集中系數(shù)Kf —疲勞缺口系數(shù),六、疲勞裂紋擴(kuò)展及疲勞門檻值 1.疲勞裂紋擴(kuò)展曲線 試樣使用三點(diǎn)彎曲樣、中心裂紋試樣（CCT）或緊湊拉伸試樣（CT），先預(yù)制疲

17、勞裂紋，固定應(yīng)力比R和應(yīng)力幅Δσ條件下循環(huán)加載，觀察裂紋長度a隨N循環(huán)擴(kuò)展增長情況。,I區(qū)是疲勞裂紋的初始擴(kuò)展階段，所占擴(kuò)展壽命不長。 II區(qū)是疲勞裂紋擴(kuò)展的主要階段，占據(jù)亞穩(wěn)擴(kuò)展的絕大部分，是決定疲勞壽命的主要組成部分?？捎肞aris公式： Ⅲ區(qū)是疲勞擴(kuò)展的最后階段，其da/dN很大，并隨ΔK增加而更快地增大,2.疲勞擴(kuò)展門檻值ΔKth 當(dāng)ΔK≤ΔKth da/dN =0 因此ΔKth 疲勞裂紋不擴(kuò)展的

18、ΔK的臨界值，稱為疲勞裂紋擴(kuò)展門檻值裂紋不疲勞斷裂（無限壽命）的校核公式： 無限疲勞壽命的承載能力：,金屬材料疲勞裂紋擴(kuò)展速率 試 驗(yàn) 方 法,在室溫及大氣環(huán)境條件下用標(biāo)準(zhǔn)緊湊拉伸C(T)試樣(以下簡稱C(T)試樣) 、 標(biāo)準(zhǔn)中心裂紋拉伸M(T) 試樣(以下簡稱M(T) 試樣) 、 標(biāo)準(zhǔn)單邊缺口三點(diǎn)彎曲SE(B)試樣(以下簡稱SE(B) 試樣) 測定金屬材料大于1 0 - 5 m m / c y c

19、 l e 的恒力幅疲勞裂紋擴(kuò)展速率; 測定小于1 0 -8 m m / c y c l e 的低速疲勞裂紋擴(kuò)展速率和疲勞裂紋擴(kuò)展門檻值ΔKth:,一、試樣形狀及尺寸,標(biāo)準(zhǔn)M( T ) 試樣. 試樣工作長度應(yīng)滿足如 下要求：,拉——拉加力: 試樣寬度W小于或等于7 5 m m時. 采用單銷加力， 加力孔之間的距離應(yīng)大 I或等于3 W; 特殊幾何形狀M ( T) 試樣的W 大于7 5 mm時， 采用多排螺栓夾緊. ， 采用多排螺栓

20、夾緊. 試樣兩端最里面 一排螺釘孔間的距離應(yīng)大于或等于1 . 7 W 拉——壓加力: 采用夾板夾緊. 夾板內(nèi)邊緣之間的距離L應(yīng)大于或等于 1.2W 標(biāo)準(zhǔn)S E ( B ) 試樣， 如圖3所示， 跨距S取4W,試樣厚度,對于C ( T) 試樣， 推薦試樣厚度的范圍如下: W /20≤B≤ W/4 式中W大于或等于2 5 mm對于M

21、 ( T) 試樣， 推薦的試樣厚度上限為W/ 8 , 所必要的最小厚度要能避免屬曲屈 . 彎曲應(yīng)變不超過名義應(yīng)變的5 %。對于S E( B) 試樣， 推薦試樣厚度的范圍為: 0 . 2 W ≤ B ≤ W,,,七、低周疲勞（一）特點(diǎn)： 1.高應(yīng)力及產(chǎn)生宏觀塑性變形 2.不能用S-N曲線描述而要用Δεt—N曲線描述材料的疲勞規(guī)律。 3.低周疲勞破壞有幾個裂紋源 4.低周疲勞壽命決定于塑性應(yīng)變幅。（二）金屬

22、循環(huán)硬化與循環(huán)軟化,預(yù)制疲勞裂紋長度的要求如下:,a.）在前后表面上從切口頂端到疲勞裂紋尖端測量裂紋長度〔 M ( T) 試樣前后表面均要測左右兩個裂紋長度〕 。測量應(yīng)準(zhǔn)確到士0 . 1 mm或士0. 0 0 2 W 中較大者; 所測各個裂紋長度均應(yīng)大于0 .1 B 和切口 寬度h ( 見圖5 ) ， 但不得小于1 mm( W>1 2 7 mm的試樣， 測量裂紋長度應(yīng)準(zhǔn)確到0 . 2 5 mm以內(nèi)) ;b. ）

23、若前后表面裂紋長度測量值之差超過0 . 2 5 B或左右兩側(cè)裂紋長度測量值之差( 取前后表面的算術(shù)平均值) 超過 0. 0 2 5 W, 則預(yù)制裂紋無效。,,,驗(yàn)證是否滿足判據(jù),典型試驗(yàn)案例,（d）,（c）,（e）,（a）拉伸試驗(yàn)試樣；（b）疲勞裂紋擴(kuò)展速率試樣；（c）疲勞壽命缺口試樣；（d）疲勞壽命光滑試樣；（e）平面應(yīng)力斷裂韌性試樣,（a）,（b）,a）拉伸試驗(yàn)試樣；b）壓縮試驗(yàn)試樣；c）應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)試樣；d）斷裂韌度試驗(yàn)試

24、樣；e）疲勞壽命光滑試樣；f）疲勞壽命缺口試樣,一、平面應(yīng)變斷裂韌度測試測試內(nèi)容：KIC測試標(biāo)準(zhǔn)：ASTM E8測試儀器：MTS 810 測試方法：,按照ASTM E399，本試驗(yàn)所用試樣為緊湊拉伸試樣（CT，B=35mm，W/B=2，如圖16所示），試驗(yàn)前依次用1000#水磨砂紙、400#、800#、1600#金相砂紙對缺口附近樣品表面進(jìn)行打磨，以減少樣品表面缺陷對試驗(yàn)結(jié)果的影響。將試樣裝夾完成后，以疲勞的方式預(yù)制約3m

25、m的疲勞裂紋（R=0.1，f=20Hz，正弦波加載）。預(yù)制完成后，軸向加載至試樣斷裂。記錄載荷與COD位移曲線（P-V曲線）。量取斷口表面及1/4/、1/2、3/4厚度處預(yù)制裂紋長度，并取平均值以對最終預(yù)制裂紋長度進(jìn)行校正。根據(jù)P-V曲線計算試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并將其帶入判據(jù)以得到KIC數(shù)據(jù)。,,72.655766.9475571.6962468.310770.2050269.96304,試驗(yàn)報告要求：描述一種或一種以上金屬疲勞試