《金属疲劳试验》PPT课件.ppt

中南大学材料科学与工程学院实验三、金属疲劳试验中南大学材料科学与工程学院一、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中南大学材料科学与工程学院 1988 1988年 年4 4月 月28 28日阿罗哈航空波音 日阿罗哈航空波音737-200 737-200型客机 型客机243 243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10 10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，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65 65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 由裂缝氧化导致金属疲劳引起 导致金属疲劳引起 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 2011 2011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737 737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1.8 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 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。洞是金属疲劳现象引起的。中南大学材料科学与工程学院一、引言一、引言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 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160 160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。中南大学材料科学与工程学院二、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1.1.疲劳过程 疲劳过程裂纹亚稳扩展阶段 失稳扩展阶段中南大学材料科学与工程学院2 2、疲劳裂纹萌生过程、疲劳裂纹萌生过程2.1 2.1 滑移带开裂产生裂纹 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 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 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。位错的塞积和交割作用，会在滑移带处形成微裂纹。中南大学材料科学与工程学院在裂纹的萌生期，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=2106中南大学材料科学与工程学院2.2 2.2 相界面开裂产生裂纹 相界面开裂产生裂纹 在大量的疲劳失效分析中发现很 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 多疲劳源是有材料中的第二相或夹杂引起的。杂引起的。2.3 2.3 晶界开裂产生裂纹 晶界开裂产生裂纹 多晶体材料由于晶界的存在和相 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 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 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 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 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 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 峰越来越高，当超过晶界强度时就会在晶界处产生裂纹。会在晶界处产生裂纹。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。3.3.裂纹扩展阶段 裂纹扩展阶段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4.4.影响疲劳强度的因素 影响疲劳强度的因素 工作条件 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金属的断裂韧度中南大学材料科学与工程学院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）金属的断裂韧度中南大学材料科学与工程学院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2a 2a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)中南大学材料科学与工程学院位移分量（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