金属疲劳试验.ppt

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1、中南大学材料科学与工程学院实验三、金属疲劳试验实验三、金属疲劳试验1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2中南大学材料科学与工程学院 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

2、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氧化导致金属疲劳引起导致金属疲劳引起 3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 4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5中南大学材料科学与工程学院 928保时捷齿轮6中南大学材料科学与工程学院曲轴断裂齿轮断裂7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8中南大学材料科学与工程学院 20112011年年4 4月月

3、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，机身出现破洞是金属疲劳现象引起的。洞是金属疲劳现象引起的。9中南大学材料科学与工程学院一、引言一、引言一、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

4、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。10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K

5、t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11中南大学材料科学与工程学院2 2 2 2、疲劳裂纹萌生过程、疲劳裂纹萌生过程、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

6、滑移带处形成微裂纹。12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。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=210613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

7、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14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

8、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15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

9、理表面涂层16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17中南大学材料科学与工程学院金属的断裂韧度金属的断裂韧度18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）金属的断裂韧度金属的断裂韧度19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

10、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,)的应的应力分量、应变分量和位移分量可以近似表达力分量、应变分量和位移分量可以近似表达为：为：应力分量：（平面应变）（平面应力）欧文（Irwin)20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21中南大学材料科学与工程学院 =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=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

11、系数的一般表达式：Y Y裂纹形状系数裂纹形状系数22中南大学材料科学与工程学院-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)23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:0.5%accurate for any a/W 0.5%accurate for a/W Ps,则PQ=Ps-若 Pmax/PQ 1 2 7 mm1 mm(W1 2 7 mm的试样，的试样，测量裂纹长测量裂纹长度应准确到度应准确到0.2 5 mm0.2 5 mm以内以内););b.b.）若前后表面裂纹

12、长度测量值之差超过若前后表面裂纹长度测量值之差超过0.2 5 B0.2 5 B或左右或左右两侧裂纹长度测量值之差两侧裂纹长度测量值之差(取前后表面的算术平均值取前后表面的算术平均值)超超过过 0.0 2 5 W,0.0 2 5 W,则预制裂纹无效。则预制裂纹无效。51中南大学材料科学与工程学院52中南大学材料科学与工程学院n n验证是否满足判据53中南大学材料科学与工程学院典型试验案例典型试验案例54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55中南大学材料科

13、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56中南大学材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：1.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。2.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。72.655766.9475571.6962468.310770.2050269.9630457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58