疲勞裂紋擴展實驗準備.doc

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1、疲勞裂紋擴展和熱解碳復合材料的斷裂熱解碳在人工心臟瓣膜上的成功應(yīng)用已經(jīng)有了很長一段時間的歷史了。穩(wěn)定疲勞裂紋擴展的證實使人們對于了解什么情況下會發(fā)生穩(wěn)定疲勞裂紋擴展現(xiàn)象產(chǎn)生了濃厚的興趣。在人工心瓣的許多應(yīng)用中，制作材料都是采用的以石墨為核心，以熱解碳為兩側(cè)表面的三層復合形式。這篇文章描述的實驗就是針對研究石墨、整體熱解碳和這種三層結(jié)構(gòu)的石墨與熱解炭的復合體進行的。實驗的主要目的是遵循ASTM標準E647的實驗步驟來確定疲勞裂紋擴展率。此外，在疲勞測試完成之后，也可以通過相同的試樣來確定平面應(yīng)變斷裂韌性KIC。其測試的步驟遵循ASTM標準E399.試驗樣品實驗樣品

2、是一種對ASTM標準E399的圓盤緊湊拉伸樣品DC（T）進行了改進的試樣。這種樣品與標準樣品的稍微不同在于它沒有被削平的部分也就是說沒有尺寸c，形狀上是一個完整的圓形。其公稱直徑為25.4mm，并且?guī)е粋€機械加工出來的4.8mm的裂紋，這個機械裂紋寬度為0.2mm，其尖端圓角半徑為0.1mm。（樣品的邊緣是否可以有涂層，對結(jié)果會有什么影響？）其中有一組復合試樣，（這里所說的一組是復合樣品的哪一組，還是所有的復合樣品都是這種形式？）其試樣中間有一個直徑為3.2mm的孔，所以其機械裂紋的長度名義上就變?yōu)?.0mm。這個機械加工缺口越過中間孔向試樣背面延伸了大約0.

3、5mm。（這里有孔樣品與沒有孔的樣品在實驗過程和結(jié)果上有區(qū)別沒有？）因為使用的試驗樣品和ASTM標準的E399DC(T)樣品稍有不同，所以這里把K1值作為裂紋尺寸的函數(shù)，并采用有限元分析去確定K1值。（應(yīng)力強度因子K1值與△K如何確定，可以直接讀出還是需要自己計算？）結(jié)果顯示，對于E399樣品的描述同樣適用于現(xiàn)在這種試驗樣品，并且誤差在2%范圍之內(nèi)。這樣的話，所有的計算過程都可以依據(jù)E399DC(T)樣品的步驟來進行。許多的實驗圓片都是用中間是石墨、外圍涂層是熱解碳的三層復合材料制成。因為兩種材料的彈性模量不同，所以在每一層上，給定的裂紋長度所對應(yīng)的應(yīng)力強度因子

4、也不盡相同。在這篇文章中，假設(shè)所有的圓盤都具有一致的彈性模量，根據(jù)E399計算出了所有的應(yīng)力強度因子的數(shù)據(jù)。實驗材料石墨的樣品是由半導體石墨股份有限公司利用石墨塊切削加工制成的。根據(jù)鎢的含量分為兩個等級，AXF-5Q（含鎢0%）和AXF-5Q10W（含鎢10%）。（這里石墨樣品的厚度為多少？）單片熱解碳樣品是這樣制成的：先在石墨圓盤兩側(cè)表面上涂覆0.69mm厚熱解碳涂層，被涂覆之后，沿石墨中間平面切開，移除石墨基體只留下0.69mm厚的熱解碳圓片。制備這樣的五片樣品進行試驗。另外，準備三組三層復合試樣進行試驗，三組都是熱解碳包覆在AXF-5Q（含鎢0%）或者AX

5、F-5Q10W（含鎢10%）石墨上制成的，（這里所采用的石墨到底是含鎢的還是不含鎢的？兩者的區(qū)別是什么？）不過厚度不同。對于第一組，樣品整體厚度為1.50mm，（樣品厚度太小，引伸計怎么往上裝夾？）其中石墨厚度為1.00mm，熱解碳涂層厚度為0.25mm，取四個試樣進行試驗。第二組試樣中，試樣總厚度為0.37mm，其中石墨厚度為0.27mm，熱解碳涂層厚度為0.3mm，也取其中四個試樣進行實驗。對于第三組樣品，樣品整體厚度為1.73mm，其中石墨厚度為0.35mm，熱解碳涂層厚度為0.69mm，取其中五個試樣進行試驗。這三組樣品中，兩側(cè)熱解碳總厚度與石墨厚度之比

6、分別為0.5，2.2和3.9。疲勞裂紋擴展速率并非總是與試樣的幾何形狀無關(guān)，試樣厚度的變化對疲勞裂紋擴展速率的影響有可能增大、減小或保持不變，因此，對試樣的厚度效應(yīng)應(yīng)當引起注意。（試樣的厚度效應(yīng)對結(jié)果的影響是什么？如果試樣很薄的話，影響會怎樣？）實驗過程實驗是在MTS810型閉環(huán)液壓試驗機上進行的。裂紋長度是通過樣品表面的顯微鏡進行測量的，（顯微鏡的位置，精度為多少？）裂紋長度上0.25mm的變化都能夠被輕易的測量到。此外，在樣品的背部邊緣或者穿過機械加工缺口的前部邊緣貼好應(yīng)變片，（應(yīng)變片的位置以及引伸計）這樣就可以隨時監(jiān)控應(yīng)變大小以及由于應(yīng)變產(chǎn)生的裂紋長度變化

7、。并且，利用有限元分析和驗證試驗就可以得出各個位置的應(yīng)變與裂紋長度變化的關(guān)系。一般來說，也可以直接目測裂紋長度和引伸計的數(shù)據(jù)。裂紋長度每隔變化0.2mm或者0.25mm就要被記錄一次，同時還要記錄在這個裂紋長度時相對應(yīng)的循環(huán)周期的數(shù)目。（裝載式樣的U型夾具是否需要自己根據(jù)樣品厚度設(shè)計尺寸，另外夾具和樣品以及銷子之間的配合是什么樣的？）預制疲勞裂紋的加力要求如下:（預制裂紋的長度要求為多少？）a)頂制疲勞裂紋時應(yīng)使最大力Pmax的誤差控制在生5%以內(nèi);b)預制疲勞裂紋最后一級的最大力值不得超過開始記錄試驗數(shù)據(jù)時的最大力值;c)為減少預制疲勞裂紋所用時間，可以先用比

8、試驗最大力值較高的力產(chǎn)生