金屬材料疲勞裂紋擴展速率實驗

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1、一.《金屬材料疲勞裂紋擴展速率實驗》實驗指導(dǎo)書飛機結(jié)構(gòu)強度實驗室2007年3月金屬材料疲勞裂紋擴展速率實驗1試驗?zāi)康?．了解疲勞裂紋擴展試驗的基本原理2．掌握金屬材料疲勞裂紋擴展速率試驗測定方法3．掌握疲勞裂紋擴展試驗測定裝置的使用方法4．掌握疲勞裂紋擴展數(shù)據(jù)處理方法2基本原理結(jié)構(gòu)在交變載荷的作用下，其使用壽命分為裂紋形成壽命和裂紋擴展壽命兩部分。裂紋形成壽命為由微觀缺陷發(fā)展到宏觀可檢裂紋所對應(yīng)的壽命，裂紋擴展壽命則是由宏觀可檢裂紋擴展到臨界裂紋而發(fā)生破壞這段區(qū)間的壽命，裂紋擴展由斷裂力學(xué)方法確定。2.1疲勞裂紋擴展速率裂紋擴展速率，

2、即交變載荷每循環(huán)一次所對應(yīng)的裂紋擴展量，在疲勞裂紋擴展過程中，不斷變化，每一瞬時的即為裂紋長度隨交變載荷循環(huán)數(shù)變化的曲線在該點的斜率。裂紋擴展速率受裂紋前緣的交變應(yīng)力場的控制，主要是裂紋尖端的交變應(yīng)力強度因子的范圍和交變載荷的應(yīng)力比。線彈性斷裂力學(xué)認為，在應(yīng)力比不變的交變載荷的作用下，隨的變化關(guān)系在雙對數(shù)坐標系上呈圖1所示的形狀。圖1曲線形狀曲線分成三個階段：低速擴展段I、穩(wěn)定擴展段II和快速擴展段III，階段I存在的垂直漸進線稱為裂紋擴展門檻值，當(dāng)時裂紋停止擴展，階段III存在的垂直漸進線為材料的斷裂韌度。階段III對應(yīng)的裂紋擴展壽

3、命在整個裂紋擴展過程中所占的比例很小，對使用壽命的影響也很小，因此建立描述裂紋擴展速率的公式時主要考慮裂紋擴展的I、II階段。常用的描述裂紋擴展速率的公式有Paris公式（式1）、Walker公式（式2）、Forman公式（式3）、Hartman公式（式4）、Klesnil公式（式5）、IAB公式（式6）等。(1)(2)(3)(4)(5)(6)Paris公式由于形式簡單，一直得到廣泛的應(yīng)用，它能夠較好的描述裂紋擴展的第II階段。Walker公式也主要用于描述裂紋擴展的第II階段，它是Paris公式的改型，增加了對應(yīng)力比的考慮。Form

4、an公式可以更好的描述裂紋擴展的第III階段。Hartman公式和Klesnil主要用于描述第I階段的裂紋擴展規(guī)律。IAB公式可以全面的描述裂紋擴展的三個階段，但公式的復(fù)雜性就定了它在工程應(yīng)用中不多。2.2影響疲勞裂紋擴展的因素1．與材料有關(guān)的影響因素（1）材料產(chǎn)品的類型。如板材、擠壓件、鍛件等。對于相同的材料，若產(chǎn)品類型不同，則會有明顯的差別。（2）熱處理工藝。材料成分相同，但熱處理工藝不同，會導(dǎo)致材料的微觀組織的差別，從而影響材料對裂紋擴展的阻力，造成的不同。（3）厚度。由相同材料制成的構(gòu)建，厚度不同，則在裂紋尖端附近材料處于不同

5、的應(yīng)力狀態(tài)，隨著厚度的增加，呈加大的趨勢。2．與環(huán)境有關(guān)的因素（1）腐蝕介質(zhì)。腐蝕疲勞裂紋擴展包含兩部分裂紋擴展機制，應(yīng)力腐蝕作用下的裂紋長度隨時間的擴展速率和交變載荷所引起的疲勞裂紋擴展。通常腐蝕條件下的裂紋擴展速率會高于惰性氣體環(huán)境（干燥空氣）中的疲勞裂紋擴展速率，并與加載頻率和波形有關(guān)。（2）溫度。因為材料的塑性行為與溫度有關(guān)，在較高的溫度下，循環(huán)塑性變形易于進行，將增大。高溫下的疲勞裂紋擴展速率也與加載頻率和波形有密切關(guān)系。（3）加載頻率和波形。在惰性環(huán)境（干燥氣體）和室溫條件下，在常用的加載頻率內(nèi)，頻率對的影響不顯著。在惰性

6、環(huán)境與室溫下載荷波形對的影響也不明顯。在相同的腐蝕介質(zhì)和（或）高溫條件下，通常頻率越低，越大，且變化比較顯著，波形的影響也不可忽略，一次循環(huán)中較大在和施加的時間越長，則越大。3試驗裝置和試樣本試驗是測定金屬材料在試驗室空氣環(huán)境下裂紋穩(wěn)定擴展階段的裂紋擴展速率。3.1試驗裝置疲勞裂紋擴展速率試驗允許在不同類型的拉壓疲勞試驗機上進行，但必須滿足：1）使試樣受載對稱分布；2）在靜態(tài)下校正載荷，其誤差不超過，示值變動度不超過1%；在動態(tài)下校正載荷，其誤差不超過；3）帶有準確的計數(shù)裝置。CT試樣的加載裝置為U型夾具，其材料的條件屈服強度應(yīng)大于9

7、80.7，銷釘與銷孔間隙應(yīng)設(shè)計得使摩擦減至最小。CCT試樣的加載裝置應(yīng)保證在整個試驗過程中試樣工作區(qū)域內(nèi)應(yīng)力均勻分布，為限制屈曲，薄板試樣必須采用約束導(dǎo)板。3.2試樣金屬材料的疲勞裂紋擴展試驗可以采用標準CT（圖2）試樣或標準CCT（圖3）試樣。試樣厚度：對于CT試樣而言，推薦厚度范圍為（）；對于CCT試樣，推薦試樣厚度上限為，所必要的最小厚度要能避免屈曲。試樣寬度：為測得有效的試驗數(shù)據(jù)，應(yīng)根據(jù)材料的條件屈服強度以及預(yù)期的最大應(yīng)力強度因子的極限值和CT試樣的或CCT試樣的極限值選擇試樣的最小可寬度。試樣切口：CT試樣的切口長度應(yīng)不小于

8、。CCT試樣的切口前緣到中心的距離應(yīng)不小于中心孔徑的3倍，當(dāng)采用柔度法測量裂紋長度時，建議中心裂紋長度不小于。試樣切口可通過銑切、線切割和其他方法加工而成。試樣不可避免地會存在殘余應(yīng)力，它有可能引起疲勞裂紋擴展速率的變化