金属疲劳试验

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。
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四.疲劳S-N曲线
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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。
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断裂韧性试样断口例图
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试样与COD规的连接
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 / PQ < 1.10, 那么 - 到 K(PQ)公式: 计算 KQ (条件 KIC) - 如果试样尺寸满足要求,即
2
1 2v sin
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 E ——拉伸杨氏模量
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DEN:
KI
0.5% accurate
for any a/W
1.122 1.122
a
0.820
a
2
3.768
a
3
3.040
a
4

a *
W
W
W
W
1 2a
W
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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
（平面应变） （平面应力）
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位移分量（平面应变状态）：
u

1 v E
K
I
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
事故原因是由裂缝氧化导致金属疲劳引起
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裂纹源
裂纹扩展区条纹
断裂区
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裂纹扩展条纹
裂纹源
断裂区
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928保时捷齿轮
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齿轮断裂
曲轴断裂
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自行车曲柄蜘蛛臂
疲劳裂纹源
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夹杂 晶界
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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。
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。
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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。
θ= 0 则：
x y
KI 2r
xy 0
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
条件： - 小尺度塑性变形 - 平面应变
高强度马氏体时效钢不同试样厚度的KC变化
a, B,
W
-a
2.5
K IC
Y
2
Kc = KIC
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4.断裂韧度试验
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疲劳试验机工作原理图
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参照标准: ASTM E-399,
单边缺口试样 (SEN)
双边缺口试样（DEN）
SEN:
KI
a
* 1.122
0.231 a W

10.550 a W
2

21.710 a W
3

30.382 a W
4

0.5% accurate
for a/W < 0.6
疲劳预裂纹试样
ASTM Standard Single Edge notched Bend (SENB) Specimen
KI

LOAD * S B *W 3 2
*
f a W

式中
f
a W


3 a W
1
2
1.99
a W
1 a W 21 2
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实验三、金属疲劳试验
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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
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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。
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
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a = max max = - min
min = 0 a = m = max / 2
材料因素
化学成分 组织结构 纤维方向 内部缺陷
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金属的断裂韧度
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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）
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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：
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-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
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
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2.15

3.93
a W
a 1 a 3 2


2.7 a W
2

W W
ASTM Standard Compact Tension (CT) Specimen
KI

LOAD B *W 1 2
*
f
a W

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五、疲劳缺口敏感度 疲劳缺口敏感度：
qf

Kf Kt
1 1
Kt —理论应力集中系数 Kf —疲劳缺口系数
Steel
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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。
a, B,
W
-a
2.5
K IC Y
2
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)
KIC 试验典型载荷位移曲线
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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。
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
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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。
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。
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二、疲劳损伤过程及机理
1. 疲劳过程
循环 滑移
式中
f
a W


2

a W
0.886
4.64 Wa

13.32 a 2 W
1
a
32

14.72
a W
3

5.6
a W
4


W
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试样取样规则：
裂纹形核滑移 缺口或划伤
内部缺陷
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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
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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
KIC Y C a C (MPa·m)
σC—断裂应力或断裂强度 αC—断裂时临界裂纹尺寸
裂纹失稳扩展脆断的断裂K判据：
KI KIC (KC )
Y a KIC (KC )
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。
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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。
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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。
应力幅
a = max 2 min
平均应力
m
max + min
2
=
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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
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三、疲劳宏观断口特征