金属疲劳试验

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年4月28日阿罗哈航空波音737-200型客机243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，机头与机身随时有分离解体的危险，但10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65名机组人员和乘客则分别受到轻重伤。事故原因是由裂缝氧化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年4月1日下午，美国西南航空公司一架波音737客机飞机中段过道上方机身有一个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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。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。有关工程材料疲劳的研究大约已经有160多年的历史。据统计，疲劳破坏在整个失效件中占80%以上。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.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、疲劳裂纹萌生过程2.1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。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。循环滑移带生成和一个纯铜试样的裂纹Sm=0，Sa=77.5MPaN=2×106中南大学材料科学与工程学院2.2相界面开裂产生裂纹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杂引起的。2.3晶界开裂产生裂纹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，应力峰越来越高，当超过晶界强度时就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2—5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.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.影响疲劳强度的因素工作条件载荷条件（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.弹性应力场方程的推导假设有无限大板，其中有2a长的I型裂纹，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、应变场。如用极坐标表示，则各点（r,θ)的应力分量、应变分量和位移分量可以近似表达为：23sin2sin12cos2rKIx23sin2sin123cos2rKIy23cos2cos2sin2rKIxy应力分量：)(YXZ0Z（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）：22sin212cos21vrKEvuI2cos)1(22sin21vrKEvI23cos2cos2sin2)1(2rEKvIxy23sin22sin212cos21vKrEvIx应变分量（平面应变状态）：23sin22sin212cos21vKrEvIy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θ=0则：002limyrIrKrKIyx20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θ=0r→0时由上式可得：裂纹I型应力场强度系数的一般表达式：Y——裂纹形状系数aYKI中南大学材料科学与工程学院WafaCKI**-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aKI*12.1有限宽度的中心开裂纹试样WaaWaKItanf(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*WaWaWaWaWaaKI0.5%accurateforanya/W432382.30710.21550.10231.0122.1*WaWaWaWaaKI0.5%accuratefora/W0.6中南大学材料科学与工程学院3.断裂韧度KIC断裂K判据KIC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CCICaYKσC—断裂应力或断裂强度αC—断裂时临界裂纹尺寸(MPa·)m裂纹失稳扩展脆断的断裂K判据：)(CICKKaY)(CICIKKK裂纹体受力时，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。中南大学材料科学与工程学院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=KIC25.2a-WB,,YICKa中南大学材料科学与工程学院4.断裂韧度试验中南大学材料科学与工程学院疲劳试验机工作原理图中南大学材料科学与工程学院参照标准:ASTME-399,疲劳预裂纹试样ASTMStandardSingleEdgenotchedBend(SENB)SpecimenASTMStandardCompactTension(CT)SpecimenWafWBSLOADKI***23式中2322112127.293.315.2199.13WaWaWaWaWaWaWaWafWafWBLOADKI**21式中2343216.572.1432.1364.4886.02WaWaWaWaWaWaWaf中南大学材料科学与工程学院试样取样规则：中南大学材料科学与工程学院断裂韧性试样断口例图中南大学材料科学与工程学院试样与COD规的连接KIC试验典型载荷位移曲线分析：-作一条偏移5%的直线（OA斜率的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/PQ1.10,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)25.2a-WB,,YICKa中南大学材料科学与工程学院金属的疲劳一、变动载荷和循环应力1.变动载荷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。变动应力可分为循环应力和无规随机应力。2.循环应力循环应力的波形主要有正弦波、矩形波、三角波等，其中最常见的是正弦波。循环应力可用几个参数表示：最大应力σmax最小应力σmin应力比R=σmin/σmax中南大学材料科学与工程学院a=maxmin2应力幅平均应力m=maxmin2+min=0a=max/2m=a=maxmax=-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三、疲劳宏观断口特征疲劳断裂和其它断裂一样，其断口保留了整个断裂过程的所有痕迹，记载着很多疲劳信息，具有明显的形貌特征。断口分析是研究疲劳过程和分析失效原因的重要方法之一。典型的疲劳断口具有三个形貌不同的区域——疲劳源、疲劳区及瞬断区。疲劳源特点：光亮而平滑疲劳区特点：断口光滑并分布有贝纹线，有时还有裂纹扩展台阶贝纹线凹侧指向疲劳源，凸侧指向裂纹扩展方向。近疲劳源者贝纹线较密，远则疏。瞬断区特点：脆性材料为结晶状断口；韧性材料则中间平面应变区为放射状或人字纹断口，边缘平面应力区为剪切唇。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四.疲劳S-N曲线中南大学材料科学与工程学院由于疲劳试验时试验数据分散性较大，因此从破坏几率和可靠性考虑，需要在每一应力水平下选一组试样，测定每个试样的疲劳寿命，然后用概论统计方法将这些数据进行处理，绘制不同破坏几率的一簇疲劳曲线，称为P-S-N曲线。中南大学材料科学与工程学院五、疲劳缺口敏感度疲劳缺口敏感度：11tffKKqKt—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六、疲劳裂纹扩展及疲劳门槛值1.疲劳裂纹扩展曲线试样使用三点弯曲样、中心裂纹试样（CCT）或紧凑拉伸试样（CT），先预制疲劳裂纹，固定应力比R和应力幅Δσ条件下循环加载，观察裂纹长度a随N循环扩展增长情况。aYaYaYKKKminmaxminmax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：Ⅲ区是疲劳扩展的最后阶段，其da/dN很大，并随ΔK增加而更快地增大nKcdNda)(中南大学材料科学与工程学院2.疲劳扩展门槛值ΔKth当ΔK≤ΔKthda/dN=0因此ΔKth疲劳裂纹不扩展的ΔK的临界值，称为疲劳裂纹扩展门槛值裂纹不疲劳断裂（无限寿命）的校核公式：无限疲劳寿命的承载能力：thKaYKaYKth中南大学材料科学与工程学院金属材料疲劳裂纹扩展速率试验方法在室温及大气环境条件下用标准紧凑拉伸C(T)试样(以下简称C(T)试样)、标准中心裂纹拉伸M(T)试样(以下简称M(T)试样)、标准单边缺口三点弯曲SE(B)试样(以下简称SE(B)试样)测定金属材料大于10-5mm/cycle的恒力幅疲劳裂纹扩展速率;测定小于10-8mm/cycle的低速疲劳裂纹扩展速率和疲劳裂