10、裂纹扩展速率试验-CT试样 DaDN
疲劳裂纹扩展速率的实验数据处理
A (1-R)Kc
da/dN B
(1-R)Kc
da/dN C
(1-R)Kc
KthCF D K
(1-R)K1scc D K
(1-R)K1scc D K
A类 ； B类：Kmax<K1scc， (DK)thCF<<DKth 主要是疲劳过程； 腐蚀使(da/dN)CF Kmax>K1scc, 腐蚀 使da/dN)CF。 普遍加快，如铝 合金在淡水中。 马氏体镍在干氢中.
DKth Mpa.m1/2
8 7 6 5 4 3 2 1
低碳钢 低合金钢 不锈钢 A517-F
9301 A508C A533B
R 不同钢材的R-DKth 关系 lgda/dN
R=0.8 0 -1
0 .2
.4
.6
.8 1.0
R＜0的情况：负应力存在， 对da/dN三区域的影响不同。 情况比R>0时复杂得多。
lgda/dN
8.4 疲劳裂纹扩展速率试验
0
a (mm)
D =const. R=0
Dai DK 曲线 目的：测定材料的 da/dNa DNi
一、试验原理：
Paris公式： 实验 a =a 0 R=0 D
N
lg(DK)
da/dN=C(DK)m (DK)i=f (D,ai,)
记录ai、Ni
ai=(ai+1+ai)/2
12
In general, at low frequencies, crack growth rate 在空气中，一般观察不到波形对疲劳裂纹扩展速 increase as more time is allowed for environmental 率的影响。但在腐蚀环境中，若载荷循环的拉伸 attack during the fatigue process. 部分作用慢， da/dN 一般较高。
液体腐蚀介质下裂纹扩展速率试验装置及其试验方法开发
目的
本课题根据 GB /T6398腐蚀液体介质下 的疲劳裂纹扩展速率试验要求，以包钢现 生产的某产品为例，采用柔度法在MTS810 上，模拟人造海水等状态下，进行腐蚀液 体介质下疲劳裂纹扩展速率da/dN的试验。
国内研究现状
腐蚀液体介质下疲劳裂纹扩展速率试验，只有国家钢铁材 料测试中心等一些机构具备腐蚀液体介质下疲劳裂纹扩展 速率试验的能力。腐蚀液体介质试验装置主要分两类：
三点弯曲夹具设计
针对三点弯曲SE(B)试样，腐蚀液体介质下的疲 劳裂纹扩展试验装置，设计一套耐腐蚀不锈钢三 点弯曲夹具(SE( B）试样的加载装置)。三点弯曲 加载装置的要求：加力线和支承线的圆柱直径取 W/8，跨距S取4W，圆柱与试样的接触应设计得 使摩擦减至最小。并且热处理，达到GB /T6398 对夹具的强度、硬度等指标要求， 将室温三点弯曲夹具（下半部分）倒装，再在不 锈钢腐蚀槽上做上入水口和出水口，全部涂上防 腐涂层材料，防止腐蚀介质与三点弯曲夹具、应 变规、入水口和出水口接触。
疲劳裂纹扩展试验
疲劳裂纹扩展试验采用恒力P控制的K 梯度法，计算机程序自动记录裂纹扩展速 率da/dN与K的对应关系。对数据采用最小 二乘法进行拟合，得到该材料在腐蚀液体 介质下的疲劳裂纹扩展速率。
测试数据
测试数据
测试结果
结论
通过材料的试验，可以证明三点弯曲 SE(B)试样腐蚀介质下的疲劳裂纹扩展试验 装置和柔度法测量裂纹长度都是切实可行 的。 为今后研究腐蚀介质温度、浓度以及 加载频率对疲劳裂纹扩展速率的影响，提 供可靠的试验装置。
配置试验人造海水溶液：
试样与试验设备连接图
MTS三种试验方法
脆性材料紧凑拉伸实验
热解碳复合材料疲劳裂纹扩展和断裂（紧凑拉伸实验）一、实验目的：利用紧凑拉伸实验方法测量热解碳，石墨以及热解碳包覆石墨复合材料的平面应变断裂韧性K 1C 、疲劳扩展门槛值th K ∆以及疲劳裂纹扩展速率da/dN 。
二、实验步骤：遵循ASTM(美国材料试验协会)标准的E399(金属材料平面应变断裂韧性KIC 试验方法)与E647（金属材料疲劳裂纹扩展速率试验方法）来进行的。
三、实验仪器：MTS 疲劳试验机（沈阳材料国家联合实验室），样品装夹采用特殊的U 型夹固定在仪器上。
（U 型夹具的设计）四、实验样品：（以下两种选择）1）实验样品为标准的紧凑拉伸C （T ）样品，具体的样品规格与详细尺寸见图1：2-φ 0.25W +0.05图1：紧凑拉伸C（T）样品2）实验样品是ASTM标准E399的圆盘紧凑拉伸样品DC（T），其公称直径为25.4mm，并且带着一个机械加工出来的4.8mm的裂纹，这个机械裂纹宽度为0.2mm，其尖端圆角半径为0.1mm。
具体尺寸如图2;图2：圆形紧凑拉伸DC(T)样品注释：疲劳裂纹引发缺口为钼丝切割缺口，缺口宽度为0.2mm，根部半径为0.1mm实验的样品分为3组：(1)*此处为热解碳涂层总厚度与石墨基底厚度之比，如下图图3：热解碳包覆石墨复合材料及热解碳总厚度与石墨厚度比示意图五、实验过程一）断裂韧性实验1. 测量试样的尺寸厚度B的测量（E399.6.2.1）：从疲劳裂纹顶端至试样的无缺口边，沿着预期的裂纹扩展线，至少在三个等间隔位置上测量厚度B，准确到0.1 % B 或0.025mm，取其较大者，计算平均值。
宽度W和机械加工裂纹长度a0的测量(E399.D.4.1)：两者的测量要从加载孔中心线量起，可以先从试样缺口边测量，然后减去缺口边值加载孔中心线的距离。
在缺口边附近至少三个位置上测量W，准确到0.1 % W或0.025 mm，取其较大者，计算平均值。
2. 预制裂纹（此处选择的样品为厚度1.5 mm，厚度比为0.5的复合样品）首先在平台上，用高度尺对试样划三条水平平行线，第一根以a0的端点为切线，然后每隔1 mm划一根线；再隔0.5 mm再画一根线；（E399.B.2.4）如图4：图4：预制裂纹所画三条直线示意图然后装夹好试样，调整引伸计COD以及观察裂纹长度所使用的便携式显微镜的位置，为防止试样脆断，再加循环载荷之前，先加一定的静载荷，载荷大小为23N（0.5P max）；随后启动载荷，选好共振频率，载荷频率设定为50HZ；为了减少预制裂纹时间，初始时所加载荷可以稍微偏大一些，是应力强度因子接近材料断裂韧性K1C的70 %，所对应最大动载荷为46 N，为使疲劳载荷的载荷比在MPa，裂纹长度a=4.8mm，-1到0.1之间，最小动载荷取0；（载荷大小均假设K1C=1.6m根据Kq计算公式反推得到）当疲劳裂纹长大到距初始裂纹端点1 mm的直线时，将载荷降低到39.5 N，并仔细观察裂纹长度与生长情况，当疲劳裂纹扩展到1.5 mm处时，立即关闭振动开关、动载开关，然后卸掉静载荷，此时预制裂纹长度大约为2 mm。
短裂纹扩展规律及分析方法整理
一、材料疲劳裂纹扩展研究现状许多领域对于材料的疲劳性能有着特殊的要求，以航空、船舶及发动机材料为例，高温抗疲劳性能是关系到可靠性和寿命的一项非常重要的性能指标。
工程实践及理论研究表明，疲劳是导致材料、构件失效的重要因素之一。
据统计，机械零件破坏的50% ～90%为疲劳破坏，而材料约90% 的疲劳损伤寿命都是消耗在裂纹萌生及扩展阶段，因此建立一种既能应用于损伤容限分析，也能应用于耐久性分析的疲劳全寿命预测方法，必须了解其在短裂纹阶段的行为。
二、短裂纹的定义短裂纹的定义有两种其一，从力学角度，将不满足线弹性断裂力学( linear elasticfracture mechanics LEFM) 有效性条件的裂纹统称为短裂纹;其二，从物理学角度，短裂纹是指裂纹长度不超过应力、应变场范围，或者说与塑性区同一数量级的裂纹。
疲劳短裂纹行为具体地可划分为尺度与微观结构特征相当的微观组织短裂纹( microstructure shortcrack，MSC) 行为和脱离微观结构束缚的物理短裂纹( physical short crack，PSC) 行为。
主要涉及短裂纹萌生与扩展机理、寿命预测和短裂纹行为模拟三方面内容。
三、短裂纹萌生机理关于短裂纹的形成有三种解释：第一种解释认为，在疲劳过程中由于材料微观结构的非均匀性，会引起材料力学性能的持续硬化现象，对于微观屈服强度低的晶粒，其循环硬化速率高且饱和值大; 而对于微观屈服强度高的晶粒，其循环硬化速率低、饱和值小。
当某一或某些表面晶粒由于循环硬化而使塑性耗尽时，该晶粒开裂而产生短裂纹。
第二种观点认为，疲劳过程首先由滑移开始。
金相观察发现，在一定循环载荷下，滑移带在较大铁素体晶粒内出现，且载荷越大，有滑移带形成的铁素体晶粒越多，同时个别滑移带逐渐加深或变宽，之后在缺口正表面形成一条或几条在高放大倍数显微镜下看到的细小疲劳裂纹。
第三种说法是，疲劳损伤起因于沿晶短裂纹，高温可以促进晶界滑动，晶界滑移聚集又会促进晶界孔洞的集结和局部扩散的发生，而局部扩散又会促进孔洞成长，因此高温下易于形成沿晶裂纹。
断裂力学答案
13. 裂纹止裂的原理为何？工程中常用的止裂方法有哪些？ 答： （1）裂纹止裂的原理:在裂纹扩展过程中，弹性能释放率 G 并不总是裂纹长度的渐增函 数。在某些情况下，它也可能随裂纹长度 a 的增加而减小。这样，随着裂纹的向前扩展，弹 性能释放率 G 就有可能低于裂纹的扩展阻力 R，从而使裂纹停止扩展而出现止裂现象。 (2) 工程中常用的止裂方法有：对于输气或输油管线，可在管线的一定部位接入一节高韧性 材料管段；在飞机上，则广泛采用加筋板或止裂筋带结构。 14. 试述疲劳问题的特点，并试举 2-3 个工程案例； 答： （1） 在某点或某些点承受扰动应力，且在足够多的循环扰动作用之后形成裂纹或完全 断裂的材料中所发生的局部永久结构变化的发展过程， 称为疲劳。 特点： 材料受到扰动应力； 应力经过多次循环； 局部先产生微裂纹； 从裂纹到失效是发展过程； 疲劳产生于应力集中区， 疲劳应力常低于屈服强度；断裂前无明显的塑性变形。 （2）工程案例： 二次大战期间，400 余艘全焊接舰船断裂；2005.4.25, 上午 9：20, 日本兵库县尼崎市列车脱轨：死亡 106 人， 伤 400 人。 15. 分析疲劳断口的组成与影响因素； 答： （1）疲劳断口的组成：一个典型的疲劳断口总是由疲劳源、疲劳裂纹扩展区和最终断裂 区三部分构成。 （2）影响因素：平均应力（拉伸平均应力降低疲劳强度，压缩平均应力提高疲劳强度） 、 表面加工与处理 （疲劳裂纹通常起始于零件表面， 因此， 表面状况对疲劳寿命有很大的影响， 表面光洁度越高，形成疲劳裂纹的时间越长） 、加载型式、缺口与应力集中、试样的尺寸。 16. 分析疲劳应力应变曲线的特点； 答：单调拉伸和单调压缩：曲线关于原点 O 对称，屈服极限以内是直线。 循环应力应变曲线：外载处于材料的弹性范围内，不产生塑性；外载超过材料的比例极 限时，形成迟滞回线；当材料的 s / b 0.7 时，属循环硬化材料，当 s / b 0.8 时， 属循环软化材料；在常幅应力控制下，应变不断提升的现象叫做循环蠕变；在常幅应变控制 下，应力不断下滑的现象叫做循环松弛。
CT试样三维疲劳裂纹扩展数值模拟
一半厚度大于 10 mm 区域，计算结果表明，裂纹扩
展速率要大于试件中间区域的值。由于裂纹面与试 件表面自由边交叉点力学性能的奇异性，表面的裂 纹尖端点的扩展速率具有突变性[12]，对于试件自由 边裂尖点和内部裂尖点有一个普遍的共识：自由面 的应力状态近似为平面应力状态，试件内部近似为 平面应变状态[13]。一般认为，裂纹扩展时，平面应 力状态下的扩展速率要小于平面应变状态下的裂 纹扩展速率。而我们的计算结果却恰恰相反。主要 原因可能是，在我们的计算模型中，裂纹扩展速率 是按照每层裂纹扩展方向都设定为沿着 x 轴的方
境因素，应力比 R 有关的系数。
图 6 为实验得到的应力强度因子与裂纹扩展
速率的关系 [15]，运用 Paris 公式可以获得裂纹扩
展速率拟合参数。即 C = 1.35e −12 , m = 3.39 。
10-2 10-3
16MnR CP01N: R=0.1, ΔP/2=2.7kN CP02S: R=0.1, ΔP/2=2.25kN CP13S: R=0.1, ΔP/2=2.025kN CP02N: R=0.1, ΔP/2=1.8kN CP06N: R=0.1, ΔP/2=1.5kN CP04N: R=0.5, ΔP/2=1.5kN CP05N: R=0.75, ΔP/2=1.25kN CP14S: R=-1.0, ΔP/2=2.7kN
∫ A = r0 ΔD (r )dr 0
(6)
从公式（5）可以看出，裂纹扩展速率与面积
A 成比例。A 代表 ΔD (r ) 曲线所围成的面积，r 是
从裂纹尖端开始沿裂尖扩展方向的长度，r0 为在裂
纹尖端前部的塑性区尺寸，ΔD (r ) 是每个加载循环
焊接接头疲劳裂纹扩展速率
w ww.bz x z w .c o mJ 33JB/T 6044－1992焊接接头疲劳裂纹扩展速率侧槽试验方法1992-05-05 发布1993-07-01 实施中华人民共和国机械电子工业部 发 布www .b z x z w .c o m11 主题内容与适用范围本标准规定了测定焊接接头疲劳裂纹扩展速率的侧槽试验方法。
本标准适用于室温（15~35℃）及大气环境下测定金属材料熔化焊焊接接头（母材、焊缝金属及热影响区）大于10–5 mm/周的恒幅循环载荷下的侧槽试样的疲劳裂纹扩展速率。
在非室温、非大气环境下的焊接接头侧槽试样的疲劳裂纹扩展速率试验，亦可参照本方法。
2 引用标准GB 9447 焊接接头疲劳裂纹扩展速率试验方法3 术语及代号3. 1 侧槽沿试样裂纹扩展方向开的槽，侧槽分为通槽和半通槽。
3. 2 通槽贯通整个试样几何中心线的侧槽。
因为它对裂纹扩展的约束是两个方向，也可称为二维槽。
3. 3 半通槽未贯通的侧槽。
因为它对裂纹扩展的约束是三个方向，也可称为三维槽。
3. 4 槽长W n 。
始于施力点中心线，沿裂纹扩展方向的槽长。
对于通槽试样槽长W n 。
应与试样宽度W 相等。
3. 5 槽宽E n 。
垂直侧槽轴向的试样表面的槽口宽度。
3. 6 槽深H n 。
试样表面到侧槽槽底的深度。
3. 7 侧槽弧度R n 。
试样侧槽根部圆弧半径。
4 试件与试样4. 1 试件的制备4. 1. 1 在用于焊接材料的选择和评定焊接工艺时，试样制备的原始条件必须有可比性。
4. 1. 2在用于估算焊接结构寿命时，试件必须从真实构件上截取，如果需要用焊接试件代替，应保持试件和构件的材料、焊接工艺条件、轧制方向条件一致。
4. 2 试样4. 2. 1裂纹扩展速率d a /d N 标准CT （紧凑拉伸）侧槽试样如图1。
它是为测定焊缝金属裂纹扩展速率的一种通槽试样；如果测热影响区或接头的其他部位的d a /d N 时，试样的侧槽应开在所测的相应部位。
电子材料疲劳寿命测试考核试卷
C.热像分析
D.电性能监测
14.电子材料疲劳测试中，以下哪些方法可以用来分析疲劳数据？（）
A.对数正态分布分析
B. Weibull分布分析
C.最小二乘法
D.生存分析
15.以下哪些因素会影响电子材料的疲劳性能？（）
A.材料的化学成分
B.材料的加工工艺
C.材料的表面处理
D.材料的尺寸
16.电子材料疲劳测试中，以下哪些测试可以用来评估材料的疲劳损伤？（）
A.使用高精度的测试设备
B.增加样本数量
C.严格控制测试条件
D.采用先进的数据分析方法
9.电子材料在哪些环境下可能会出现疲劳失效？（）
A.高温环境
B.低温环境
C.湿润环境
D.空气中
10.电子材料疲劳测试中，以下哪些参数是重要的？（）
A.应力幅值
B.应力比率
C.循环次数
D.裂纹长度
11.以下哪些是电子材料疲劳寿命预测模型的优点？（）
5.疲劳极限测试通常是在低周疲劳条件下进行的。（）
6.使用声发射技术可以实时监测电子材料疲劳裂纹的扩展过程。（）
7.在电子材料疲劳测试中，所有的疲劳损伤都可以通过目视检查发现。（）
8.电子材料的疲劳寿命可以通过实验室测试完全预测，无需考虑实际工作环境。（）
9.疲劳裂纹扩展速率随着裂纹长度的增加而增加。（）
B.试样的制备不规范
C.测试条件的不稳定
D.数据处理方法的不当
4.以下哪些是常用的电子材料疲劳测试方法？（）
A.拉压疲劳测试
B.弯曲疲劳测试
C.扭转疲劳测试
D.蠕变测试
5.在电子材料疲劳寿命测试中，以下哪些是S-N曲线的特点？（）