金属疲劳试验

二、疲劳损伤过程及机理
1. 疲劳过程
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
裂纹亚稳扩展阶段 失稳扩展阶段
Kt 应力集中系数
K 应力强度因子
KIC 断裂韧性
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。
循环滑移带生成和一个纯铜试样的裂纹 Sm=0，Sa=77.5MPa N=2×106
在裂纹的萌生期，疲劳是一种发生在材料表面的现象。
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
x
KI cos 1 sin sin 3
2r 2
2 2
应力分量： y
KI cos 3 1 sin sin 3 2r 2 2 2
xy
KI sin cos cos 3 2r 2 2 2
欧文（Irwin)
Z ( X Y ) Z 0
2
2
2
sin 3
2

y

1 v
E 2r
KI
cos 1 2v sin
2
2
2
sin
3
2

xy

2(1 v)K I
E 2r
sin
2
cos
2
cos 3
2
v 式中: ——泊松比
模量
E ——拉伸杨氏
θ= 0 则 ：
x y
KI 2r
xy 0
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。
实验三、金属疲劳试验
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
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。
裂纹形核滑移 缺口或划伤
内部缺陷
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
材料因素
化学成分 组织结构 纤维方向 内部缺陷

10.550 a W
2

21.710 a W
3
30.382 a W
4

0.5% accurate
for a/W < 0.6
DEN:
KI
0.5% accurate
for any a/W
1.122 1.122
a
0.820
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。
事故原因是由裂缝氧化导致金属疲劳引起
裂纹源
裂纹扩展区条纹
断裂区
裂纹扩展条纹
裂纹源
断裂区
928保时捷齿轮
齿轮断裂
曲轴断裂
自行车曲柄蜘蛛臂
疲劳裂纹源
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。
半无限宽边缘缺口试样
KI 1.12* a
有限宽度的中心开裂纹试样
f(a/W)
KI
a
W
a
tan
a
W

KI C *
a * f a
W
单边缺口试样 (SEN)
双边缺口试样（DEN）
SEN:
KI
a
* 1.122
0.231 a W
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= 0 r→0 时 由上式可得：
KI
lim r 0
2r y 0
裂纹I型应力场强度系数的一般表达式：
KI Y a
Y——裂纹形状系数
-半无限边缘缺口试样 -有限宽度的中心开裂纹试样 -有限宽ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ的边缘缺口试样
金属的断裂韧度
金属的断裂韧度
一.线弹性条件下的金属断裂韧度
1.裂纹扩展的基本形式：
张开型（I型） 滑开型（II型） 撕开型（III型）
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：
夹杂 晶界
3.裂纹扩展阶段
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。
（平面应变） （平面应力）
位移分量（平面应变状态）：
u

1 v E
KI
2r cos 1 2v sin 2
2
2


1 v E
KI
2r

sin

2

2(1
v)

cos
2

应变分量（平面应变状态）：
x

1 v
E 2r
KI
cos 1 2v sin