3-裂纹扩展试验

试验三金属材料裂纹扩展试验主讲人：时新红Tel：15810534051办公室：新主楼D座608Email：[e-mail]综合试验第二部分内容提要一、基础知识1.基本概念2.断裂力学背景3.断裂力学相关知识二、试验介绍1.试验目的2.试验设备及试件3.试验过程4.试验数据处理一、基础知识基本概念：疲劳：材料或结构的某一点或某些点，在承受波动的应力和应变情况下，发生渐进的、局部的、带永久性的变化过程。在足够的次数波动后，材料和结构将产生裂纹或最终断裂。一、基础知识基本概念：材料/结构在交变载荷作用下产生不可逆的损伤累积，损伤累积可使材料/结构产生裂纹，裂纹进一步扩展至完全断裂。一、基础知识结构的微观缺陷宏观可检裂纹临界裂纹即破坏发展扩展(0.2mm~1.0mm)裂纹形成寿命裂纹扩展寿命疲劳和断裂是一个连续的过程一、基础知识疲劳和断裂是一个连续的过程一、基础知识断裂力学研究背景：20世纪初期，人们在使用各种材料尤其是金属材料的长期实践中，观察到大量的断裂现象。Griffith以材料内部存在缺陷的观点为基础，提出在一定条件下，微小缺陷或裂纹将失稳扩展，导致材料或结构的破坏。一、基础知识断裂力学研究背景：1.20世纪50年代初，美国北极星导弹固体燃料发动机壳体在试验时发生爆炸，材料为高强度合金，传统的强度和韧性指标全部合格。——原因由宏观裂纹（0.1～1mm）引起，裂纹源可能是焊裂、杂质、晶界开裂2.20世纪60年代，美国F-111飞机在执行飞行训练途中，做投弹恢复动作时，左翼脱落，导致飞机坠毁。当时的飞行速度、总重量及过载等指标远低于设计指标。——原因是机翼枢轴出现缺陷，漏检后经疲劳载荷作用，小裂纹继续扩展至断裂引起一、基础知识断裂力学研究背景：3.20世纪80年代，日本航空公司波音747SR在24000米高空垂尾断裂，坠毁在群马县。机上524人中，520人遇难，4人受伤。——原因飞机后部承压隔板铆钉上产生疲劳裂纹，之后导致了承压隔板的上半部腹板部分断裂，引起垂尾断裂一、基础知识断裂力学研究背景：4.2007年，美军F-15战斗机发生空中解体，飞行员因及时跳伞而幸免于难，但整架飞机摔成了废铁。——原因长期高强度作战和训练使得金属架构发生老化，表面产生疲劳裂纹，从而引起解体。一、基础知识断裂力学研究背景：5.2011年，美国西南航空公司的波音737-300飞行过程中机身顶部出现大洞，机舱失压紧急降落。——原因该客机过去15年间每天起落7次，起落总次数3.9万，以致金属蒙皮外表面出现细小裂纹。一、基础知识断裂力学：研究含裂纹体在各种工作条件下裂纹的扩展、失稳及止裂的规律，应用这些规律指导设计，以保证构件的安全可靠。断裂力学研究内容：断裂力学研究对象：含裂纹体开裂形式I型：张开型，外载荷与裂纹平面垂直，裂纹两个表面相对张开II型：滑开型，面内垂直裂纹前缘的剪力，裂纹在自身平面内作垂直于裂纹前缘的滑动III型：撕开型，分离面剪力，裂纹面在其自身平面内作平行于裂纹前缘的错动一、基础知识I型裂纹：一、基础知识I型裂纹：应力强度因子K：裂纹尖端附近应力应变弹性场的强度无限大板：有限宽板：一、基础知识KasecaKaW交变载荷下，裂纹尖端应力强度因子的变程：maxminKKK在交变载荷下，裂纹长度a随着循环次数N的增加而增大，定义交变载荷每循环一次所对应的裂纹扩展量为裂纹扩展速率，即da/dN，影响参量如下：——裂纹尖端应力强度因子的变程——交变载荷的应力比——材料的厚度一、基础知识基础知识疲劳裂纹扩展特性：二、试验介绍1.试验目的了解疲劳裂纹扩展的基本原理掌握裂纹扩展规律与扩展特点掌握金属材料裂纹扩展试验测试方法掌握裂纹扩展数据处理技术2.试验装置及试件静载误差±0.5%动载误差±2.0%试验介绍读数精度为1mm试验介绍试验介绍•试件材料：2524-T30.002WA0.002WA2-0.25W+0.0500.002WA0.002WA0.002WA0.002WA0.80.8anaW±0.005W1.25W±0.01W0.275W±0.005W0.275W±0.005W0.6W±0.005W0.6W±0.005WBAC试验介绍3.试验过程前期准备试样编号、尺寸测量、载荷计算预制疲劳裂纹给定载荷、频率进行预制，记录裂纹扩展试验记录裂纹长度、循环次数试验介绍4.试验数据处理载荷：Pmax=170MPa，R=0.06载荷循环数N左侧裂尖位置右侧裂尖位置裂纹长度a1200022.5528.853.151600022.2928.93.3052000022.0929.353.632400021.6829.734.0255200015.934.719.4055400015.2335.6110.195600014.236.1610.985800013.3337.2411.955670005.6544.9919.67675004.7446.0520.655680003.447.3721.985试验介绍目标试验结果051015202501000020000300004000050000600007000080000系列1aN试验介绍•确定da/dN：01234560500010000150002000025000300003500040000系列1试验介绍•确定da/dN：七点递增多项式法22122110ˆCCNbCCNbbaiii13312iiCNN23312iiCNN利用最小二乘法拟合，使得：最小得到回归参数2ˆ()iniiinQaa012bbb、、221211ˆ2CCNbCbdNdaiai试验介绍•确定：K2sec2WBPKmaxminmax0,0PPPRPPRˆ2iaW由da/dN与可以绘出曲线。K试验介绍•相关研究：试验介绍试验介绍•相关研究：试验介绍•相关研究：谢谢！