高强度钢压剪疲劳裂纹扩展的实验研究
高强度钢压剪疲劳裂纹扩展的实验研究①
陈 枫 孙宗颀
(中南工业大学力学开放实验室,长沙410083) K.Zaremba
(瑞典皇家工学院固体力学系,斯德哥尔摩10044,瑞典)
摘 要 滚珠轴承接触点附近的高压剪应力是引起轴承疲劳破坏的原因。为获得高强度钢在压剪疲劳加载下的断裂性态,通过轴向裂纹薄壁圆筒的压剪疲劳加载试验,研究了这类材料的疲劳破坏规律。结果表明,复合疲劳加载时门槛值对压应力分量并不敏感,但对扩散速率和临界扩展角却有明显影响。裂纹扩展速率随压应力增加而提高,裂纹较快达到失稳;裂纹扩散角则随压应力增加而减小,疲劳裂纹将向有利于Ⅰ型断裂的方向扩展。这表明轴承滚道内,任何平行于压应力的缺陷、微裂纹都将是十分危险的。
关键词 疲劳断裂 门槛值 应力强度因子 裂纹扩展速率
中图法分类号 O34611
滚动轴承是机械中常见的重要部件,从普通机械、机车车辆到航空航天器都有它们的存在。这类构件既受到高的压剪应力作用又处于疲劳加载状态。航空、航天和军事上对高强度材料特殊性能的要求促进了对材料在Ⅰ型和Ⅱ型加载下的疲劳破坏的研究,取得了令人瞩目的成就[1-5],但对高强度材料在压剪疲劳加载下的断裂性能的研究却很少见诸于文献。而压剪疲劳加载又是工程构件,特别是轴承中常见的受载方式。
本文分析了压剪应力场的特点,并通过具有轴向裂纹的高强度轴承钢制成的薄壁圆筒试样的压扭疲劳加载,对材料的门槛值、疲劳裂纹扩展速率和临界开裂角等断裂性能作了一系列实验研究。实验结果与理论分析相当一致。
1 压剪裂纹尖端的应力场特点
如图1所示,考虑一长2a,与压应力p成β角的具有有限曲率的非闭合裂纹。此压应力引起沿x轴方向的应力分量为p x[6]
。
图1 压剪裂纹尖端应力特点分析
Fig.1 Analysis of stress characteristic at
crack tips under compression2shear loading
p x=p cos2β (p>0)(1)式中 p为远场压应力,由p引起的裂纹尖端的应力强度因子(SIF)可由下式表示。
KⅠ=-pa sin2β
KⅡ=-pa sinβ?cosβ
(2)
第9卷第1期Vol.9 No.1
中国有色金属学报
The Chinese Journal of N onferrous Metals
1999年3月
Mar.1999
①国家自然科学基金资助项目49762164及1998年环太平洋先进材料与工艺国际会议宣读论文
收稿日期:1997-08-29;修回日期:1998-10-20 陈 枫,男,在职博士
式中 KⅠ,KⅡ分别为Ⅰ型和Ⅱ型应力强度因子,a为裂纹半长。
式(2)中的KⅠ仅使裂纹面发生闭合趋势,并非通常意义下的Ⅰ型应力强度因子。Muskhelishvili[7]指出,长、短轴分别为2a和2b的椭圆裂纹,在曲率为ρ的非闭合裂纹尖端处,因x方向的剪应力p x而引起的裂尖最大局部拉应力在数值上等于p x,见图1,即有σ
max=-p x(3)它引起的应力强度因子KⅠ为
KⅠ=lim
ρ→0(
σ
max
2
ρ)(4)
将式(1),(3)代入式(4)得:
KⅠ=pρ/a
2
a cos2β(5)
于是,由压应力p引起的裂尖SIF为式(2)和式(5)的叠加:
KⅠ=p a(ρ/a
2
cos2β-sin2β)
KⅡ=-p a sinβ?cosβ(6)于是,压扭加载下的裂纹尖端处的SIF为由薄壁圆筒扭转引起的KⅡ[8]与式(6)的叠加。显然,当有限曲率非闭合裂纹受压剪时,仍存在局部拉应力,裂纹尖端同时存在Ⅰ、Ⅱ型应力强度因子,所以压剪疲劳裂纹扩展准则可用ΔKⅠ,ΔKⅡ,RⅠ,RⅡ和φ的函数式表示如下:
G(ΔKⅠ,ΔKⅡ,RⅠ,RⅡ,φ)=0(7)式中 ΔKⅠ,ΔKⅡ分别是Ⅰ型和Ⅱ型应力强度因子幅值;RⅠ=KⅠmin/KⅠmax,RⅡ= KⅡmin/KⅡmax;φ为KⅠ和KⅡ的相位角,与加载历史有关。当β=0时,裂纹平行于压应力,此时裂纹不产生闭合趋势,压剪疲劳加载时可忽略裂纹面的摩擦影响。
2 实验设计、步骤和结果
试样采用高强度轴承钢冷拔管,在680℃下保持4h后水淬,并经回火处理,其化学成分和力学性能列于表1中。
图2(a)是专门设计的试样预裂纹冲击装置,试样几何形状和尺寸如图2(b)所示。先在试样上钻一个直径为4mm的小孔,再沿轴向对称铣一宽度为1.5mm的切口,然后用图2 (a)所示的冲击装置预制尖锐裂纹。裂纹总长度控制在22～30mm之间。图3为压应力σ= -225MPa时试样的疲劳裂纹、预裂纹及临界扩展角。加载路径:先对试样加静压,压力由
表1 材料的化学成分与力学性能
T able1 Chemical components and mechanical properties of materials(%)
C Si Mn Mo Cr Niσy/MPaσμ/MPa E/GPa
1.10.200.310.25 1.
20.810101180120
图2 试样预裂纹冲击装置(a)及试样几何形状(b) Fig.2 Pre2cracking device(a)and
geometry of specimen(b)(unit:mm) 1—Specimen;2—Impact load;3—Conical wedge;
4—
Supporting;5—Conical wedge
图3 冲击预裂纹和疲劳裂纹及扩展方向Fig.3 Illustration of pre2cracking,fatigue crack and crack extension direction
?
4
9
1
?中国有色金属学报 1999年3月
1—Machine notch ;2—Impact crack ;3—Fatigue crack
零增加到某一终值并保持不变;然后加循环扭矩(M max =230Nm ),R Ⅱ取0和0.1并分别对试样加4种不同压应力:150,225,300和400MPa ,最大压应力远小于材料的弹性极限,σmax /σy 约为0.4。实验时用移动式显微镜测量瞬时疲劳裂纹长度,计算机采样。所有测试在M TS 伺服机上完成。图4是不同压应力下疲
劳裂纹扩展的门槛值、扩展速率及其比较。从图中可以看到压应力分量对压剪疲劳裂纹扩展特性的影响,稳定扩展阶段可用Paris 公式表
示[8],即d a /d N =C ΔK m Ⅱ,在图4的对数座标里呈直线状。不同压应力对稳定扩展速率的影
响可用图4中各曲线直线段的斜率表示,如图5所示。可以看到,随压应力增加,扩展速率也明显增加且较快达到失稳。图6则为压应力对临界扩展角的影响曲线。可以看出,随压应力增加,临界开裂角减小,裂纹有利于向自相似方向扩展
。
图4 压剪疲劳裂纹扩展速率及比较
Fig.4 Fatigue crack extension rates caused by compression 2shear
loading
图5 压应力对稳定扩展速率的影响
Fig.5 Influence of compressive stress σ/σy
on fatigue crack extension
rate
图6 压应力对临界扩展角的影响
Fig.6 Influence of compressive stress σ/σy
on critical crack extension angle
3 结论
所设计的薄壁圆筒预裂纹冲击装置能成功引发尖锐的轴向裂纹,当机械长槽沿周向时,也能引发周向尖锐裂纹。实验结果表明,压应力对高强度轴承钢的疲劳裂纹扩展规律有重大
影响。扩展速率d a /d N 随压应力增加而迅速提高并较快达到失稳,临界扩展角则随压应力增加而减小,即裂纹将向有利于Ⅰ型断裂的方
?
591?第9卷第1期 陈 枫等:高强度钢压剪疲劳裂纹扩展的实验研究
向扩展。这与理论分析结果是一致的。压应力
增加时,由于泊松效应,引起纵向劈裂的K Ⅰ增加,从而使裂纹有利于向自相似扩展。材料疲劳裂纹扩展的门槛值对压应力并不十分敏感。研究结果也表明了压剪疲劳加载中,裂纹方向对试样失稳破坏至关重要,滚动接触部件内与压应力平行的微裂纹或缺陷是十分危险的。
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of Technology (中南工业大学学报),1996,28(5):494-498.
EXPERIMENTAL STU DY ON FATIGUE CRACK GR OWTH
OF HIGH STRENGTH STEE L SUBJECTED TO
COMPRESSIVE SHEAR LOADING
Chen Feng and Sun Z ongqi
O peni ng L aboratory of Mechanics ,Cent ral South U niversity of Technology ,
Changsha 410083,P.R.Chi na
K.Zaremba
Depart ment of Soli d Mechanics ,The Royal Instit ute of Technology ,S tockhol m 10044,S weden
ABSTRACT High compressive 2shear stress beneath the contact point of ball bearing is the main reason for its fatigue
failure.In order to obtain the knowledge of compressive 2shear fatigue crack growth ,thin 2wall tube s pecimens with axial crack are used in the experiments.The s pecimens are loaded by a cyclic torque combined with different axial com pressive stresses.The results show that fatigue crack growth rate and cracking angle are greatly affected by compressive stresses ,the crack growth rate increases while cracking angle decreases with the increasing of compressive stresses.The threshold value seems insensative to com pressive stresses.The results also show that fatigue crack growth tends to mode Ⅰfracture and become unstable at higher compressive stresses ,which reveals that any microcracks or faults parallel to compressive stress are the most dangerous under fatigue loading.
K ey w ords fatigue fracture threshold value stress intensity factor crack growth rate
(编辑 何学锋)
?691?中国有色金属学报 1999年3月
疲劳裂纹扩展.
第五章疲劳裂纹扩展 §5.1 概述 前面介绍的内容为静载荷作用下的断裂准则。构件在交变应力作用下产生的破坏为疲劳破坏，疲劳破坏的应力远比静载应力低。 一、疲劳破坏的过程 1）裂纹成核阶段 交变应力→滑移→金属的挤出和挤入→形成微裂纹的核（一般出现于零件表面）。 2）微观裂纹扩展阶段 微裂纹沿滑移面扩展，这个面是与正应力轴成45°的剪应力作用面，是许 沿滑移带的裂纹，此阶段裂纹的扩展速率是缓慢的，一般为10-5mm每循环,裂纹尺寸＜0.05mm。 3）宏观裂纹扩展阶段 裂纹扩展方向与拉应力垂直，为单一裂纹扩展，裂纹尺寸从0.05mm扩展至临a，扩展速率为10-3mm每循环。 界尺寸 c 4）断裂阶段 a时，产生失稳而很快断裂。 当裂纹扩展至临界尺寸 c 工程上一般规定：①0.1mm～0.2mm裂纹为宏观裂纹；②0.2mm～0.5mm，深 0.15mm表面裂纹为宏观裂纹。 N）宏观裂纹扩展阶段对应的循环因数——裂纹扩展寿命。（ p N） 以前阶段对应的循环因数——裂纹形成寿命。（ i 二、高周疲劳和低周疲劳 高周疲劳：当构件所受的应力较低，疲劳裂纹在弹性区内扩展，裂纹的疲劳寿命较长。（应力疲劳） 低周疲劳：当构件所受的局部应力已超过屈服极限，形成较大的塑性区，裂纹在塑性区中扩展，裂纹的疲劳寿命较小。（应变疲劳） 工程中一般规定N ≤105为低周疲劳。 f 三、构件的疲劳设计
1、总寿命法 测定S－N曲线（S为交变应力，N为应力循环周次）。 经典的疲劳设计方法是循环应力范围（S－N）曲线法或塑性总应变法来描述导致疲劳破坏的总寿命。 在这些方法中通过控制应力幅或应变幅来获得初始无裂纹的实验室试样产生疲劳破坏所需的应力循环数和应变循环数。 N=N i +N p (N i 萌生寿命，N p 扩展寿命) 2、损伤容限法（疲劳设计的断裂力学方法） 容许构件在使用期内出现裂纹，但必须具有足够的裂纹亚临界扩展寿命，以保证在使用期内裂纹不会失稳扩展而导致构件破坏。 疲劳寿命定义为从某一裂纹尺寸扩展至临界尺寸的裂纹循环数。
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材料疲劳裂纹扩展研究综述 摘要:疲劳裂纹扩展行为是现代材料研究中重要的内容之一。论述了组织结构、环境温度、腐蚀条件以及载荷应力比、频率变化对材料疲劳裂纹扩展行为的影响。总结出疲劳裂纹扩展研究的常用方法和理论模型，并讨论了“塑性钝化模型”和“裂纹闭合效应”与实际观察结果存在的矛盾温度、载荷频率和应力比是影响材料疲劳裂纹扩展行为的主要因素。发展相关理论和方法，正确认识影响机理，科学预测疲劳裂纹扩展行为一直是人们追求的目标。指出了常用理论的不足，对新的研究方法进行了论述。 关键词: 温度; 载荷频率; 应力比; 理论; 方法; 疲劳裂纹扩展 1 前言 19世纪40年代随着断裂力学的兴起，人们对于材料疲劳寿命的研究重点逐渐由不考虑裂纹的传统疲劳转向了主要考察裂纹扩展的断裂疲劳。尽量准确地估算构件的剩余疲劳寿命是人们研究材料疲劳扩展行为的一个重要目的。然而，材料的疲劳裂纹扩展研究涉及了力学、材料、机械设计与加工工艺等诸多学科，材料、载荷条件、使用环境等诸多因素都对疲劳破坏有着显著的影响，这给研究工作带来了极大困难。正因为此，虽然对于疲劳的研究取得了大量有意义的研究成果，但仍有很多问题存在着争议，很多学者还在不断的研究和探讨，力求得到更加准确的解决疲劳裂纹扩展问题的方法和理论。 经过几十年的发展，人们已经认识到断裂力学是研究结构和构件疲劳裂纹扩展有力而现实的工具。现代断裂力学理论的成就和工程实际的迫切需要，促进了疲劳断裂研究的迅速发展。如Rice的疲劳裂纹扩展力学分析(1967年) ，Elber的裂纹闭合理论(1971年) ，Wheeler 等的超载迟滞模
型(1970年) ，Hudak等关于裂纹扩展速率标准的测试方法，Sadananda和Vasudevan ( 1998年)的两参数理论等都取得了一定成果。本文将对其研究中存在问题、常用方法和理论模型、以及温度、载荷频率和应力比对疲劳裂纹扩展影响的研究成果和新近发展起来的相关理论进行介绍。 2 疲劳裂纹扩展研究现存问题 如今，人们在分析材料裂纹扩展问题时最常用到的是“塑性钝化模型”和裂纹尖端因“反向塑性区”等原因导致的“裂纹闭合效应”理论。而它们是否正确，却一直在人们的验证和争论之中。 根据现有的研究结果，有学者提出，若按照“塑性钝化模型”理论，强度高的材料应具有较低的裂纹扩展速率，但实验结果却不能证实这一预测。另外，该“模型”认为的“裂纹尖端的钝化是在拉应力达到最大值时完成的”这一观点在理论上不妥，也与实测结果不符。观察结果表明，裂纹尖端钝化是一个渐进的过程，钝化半径与外载荷大小成正比。 而疲劳裂纹在扩展过程中的“裂纹闭合效应”在什么情况下存在，能否对材料的裂纹扩展速率产生重要影响，考虑“裂纹闭合”的实验室数据能否用于工程中等问题也一直在人们的争论之中。由于“裂纹闭合效应”理论推出的结论是:“对载荷比的依赖性不是材料的内在行为，而是源于裂纹表面提前闭合后应力强度因子幅(△K) 的变化”，所以早在1984年S.Suresh等人就指出[1]，“裂纹闭合”不是一个力学参数，它受构件形状、载荷、环境和裂纹长度等因素的影响。因此，除非在实际使用过程中测量构件的裂纹闭合情况，否则在实验室里做出来的试验结果不能用来预测构件中的裂纹扩展速率。1970年，Ritchie研究钢中裂纹扩展的近门槛值时发现:在真空环境下，应力比R对门槛值几乎没有影响，首度质疑了裂纹闭合的存在性和所起的作用。在前人研究的基础上，美国海军实验室的
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非常有必要的。 由于金属材料的疲劳一般难以发现，因此常常造成突然的事故。早在100多年以前，人们就发现了金属疲劳给各个方面带来的损害。由于但是条件的限制，还不能查明疲劳破坏的原因。在第二次世界大战期间，美国的5000艘货船共发生1000多次破坏事故，有238艘完全报废，其中大部分要归咎于金属的疲劳。2002 年 5 月，华航一架波音747-200 型客机在由台湾中正机场飞往香港机场途中空中解体，19 名机组人员及206名乘客全部遇难。调查发现，飞机后部的金属疲劳裂纹造成机体在空中解体，是导致此次空难的根本原因。直到出现了电子显微镜之后，人类在揭开金属疲劳秘密的道路上不断取得了新的成果，才开发出一些发现和消除金属疲劳的手段。 二．金属疲劳的有关进展 1839年巴黎大学教授在讲课中首先使用了“金属疲劳”的概念。1850一1860年德国工程师提出了应力-寿命图和疲劳极限的概念。1870一1890年间，Gerber研究了平均应力对疲劳寿命的影响。Goodman提出了考虑平均应力影响的简单理论。1920年Griffith发表了关于脆性材料断裂的理论和试验结果。发现玻璃的强度取决于所包含的微裂纹长度，Griffith理论的出现标志着断裂力学的开端。1945年Miner用公式表达出线性积累损伤理论。五十年代，力学理论上对提出应力强度因子K的概念。六十年代，Manson—Coffin公式概括了塑性应变幅值和疲劳寿命之间的关系。Paris在1963年提出疲劳裂纹扩展速率da／dN和应力强度因子幅值?k之间的关系。1974年，美
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金属材料疲劳裂纹扩展速率实验 1 试验目的 1．了解疲劳裂纹扩展试验的基本原理 2．掌握金属材料疲劳裂纹扩展速率试验测定方法 3．掌握疲劳裂纹扩展试验测定装置的使用方法 4．掌握疲劳裂纹扩展数据处理方法 2 基本原理 结构在交变载荷的作用下，其使用寿命分为裂纹形成寿命和裂纹扩展寿命两部分。裂纹形成寿命为由微观缺陷发展到宏观可检裂纹所对应的寿命，裂纹扩展寿命则是由宏观可检裂纹扩展到临界裂纹而发生破坏这段区间的寿命，裂纹扩展由断裂力学方法确定。 2.1疲劳裂纹扩展速率 裂纹扩展速率dN da ，即交变载荷每循环一次所对应的裂纹扩展量，在疲劳裂纹扩展过程中，dN da 不断变化，每一瞬时的dN da 即为裂纹长度a 随交变载荷循环数N 变化的N a -曲线在该点的斜率。裂纹扩展速率dN da 受裂纹前缘的交变应力场的控制，主要是裂纹尖端的交变应力强度因子的范围K ?和交变载荷的应力比R 。线弹性断裂力学认为，在应力比不变的交变载荷的作用下，dN da 随K ?的变化关系在双对数坐标系上呈图1所示的形状。 Ⅰ Ⅱ Ⅲ log (?K ) ?K c ?K th log(d a /d N ) 图1 d d a N K -?曲线形状 K dN da ?-曲线分成三个阶段：低速扩展段I 、稳定扩展段II 和快速扩展段III ，阶段I 存在的垂直渐进线th K K ?=?称为裂纹扩展门槛值，当th K K ?
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金属材料疲劳研究综 述
金属材料疲劳研究综述 摘要：人会疲劳，金属也会疲劳吗？早在100多年前，人们就发现了金属也是会疲劳的，并且发现了金属疲劳带给人们各个方面的危害，所以研究金属材料的疲劳是非常有必要的。本文主要讲述了国内外关于金属疲劳的研究进展，概述了金属产生疲劳的原因及影响因素，以及金属材料疲劳的试验方法。 关键词：金属材料疲劳裂纹疲劳寿命 一．引言 金属疲劳的概念，最早是由 J． V． Poncelet 于 1830 年在巴黎大学讲演时采用的。当时，“疲劳”一词被用来描述在周期拉压加载下材料强度的衰退。引述美国试验与材料协会( ASTM) 在“疲劳试验及数据统计分析之有关术语的标准定义”( EZ06-72) 中所作的定义: 在某点或某些点承受挠动应力，且在足够多的循环挠动作用之后形成裂纹或完全断裂时，材料中所发生的局部永久结构变化的发展过程，称为“疲劳”。金属疲劳是指材料、零构件在循环应力或循环应变作用下，在一处或几处逐渐产生局部永久性累积损伤，经一定循环次数后产生裂纹或突然发生完全断裂的过程。在材料结构受到多次重复变化的载荷作用后，应力值虽然始终没有超过材料的强度极限，甚至比弹性极限还低的情况下就可能发生破坏，这种在交变载荷重复作用下材料和结构的破坏现象，就叫做金属的疲劳破坏。据统计金属材料失效80%是由于疲劳引起的，且表现为突然断裂，无论材
料为韧性材料还是塑性材料都表现为突然断裂，危害极大，所以研究金属的疲劳是非常有必要的。 由于金属材料的疲劳一般难以发现，因此常常造成突然的事故。早在100多年以前，人们就发现了金属疲劳给各个方面带来的损害。由于但是条件的限制，还不能查明疲劳破坏的原因。在第二次世界大战期间，美国的5000艘货船共发生1000多次破坏事故，有238艘完全报废，其中大部分要归咎于金属的疲劳。2002 年 5 月，华航一架波音747-200 型客机在由台湾中正机场飞往香港机场途中空中解体，19 名机组人员及 206名乘客全部遇难。调查发现，飞机后部的金属疲劳裂纹造成机体在空中解体，是导致此次空难的根本原因。直到出现了电子显微镜之后，人类在揭开金属疲劳秘密的道路上不断取得了新的成果，才开发出一些发现和消除金属疲劳的手段。 二．金属疲劳的有关进展 1839年巴黎大学教授在讲课中首先使用了“金属疲劳”的概念。1850一1860年德国工程师提出了应力-寿命图和疲劳极限的概念。1870一1890年间，Gerber研究了平均应力对疲劳寿命的影响。Goodman提出了考虑平均应力影响的简单理论。1920年Griffith发表了关于脆性材料断裂的理论和试验结果。发现玻璃的强度取决于所包含的微裂纹长度，Griffith理论的出现标志着断裂力学的开端。1945年Miner用公式表达出线性积累损伤理论。五十年代，力学理论上对提出应力强度因子K的概念。六十年代，Manson—Coffin公
疲劳裂纹扩展实验准备
疲劳裂纹扩展和热解碳复合材料的断裂 热解碳在人工心脏瓣膜上的成功应用已经有了很长一段时间的历史了。稳定疲劳裂纹扩展的证实使人们对于了解什么情况下会发生稳定疲劳裂纹扩展现象产生了浓厚的兴趣。在人工心瓣的许多应用中，制作材料都是采用的以石墨为核心，以热解碳为两侧表面的三层复合形式。这篇文章描述的实验就是针对研究石墨、整体热解碳和这种三层结构的石墨与热解炭的复合体进行的。 实验的主要目的是遵循ASTM标准E647的实验步骤来确定疲劳裂纹扩展率。此外，在疲劳测试完成之后，也可以通过相同的试样来确定平面应变断裂韧性K IC。其测试的步骤遵循ASTM标准E399. 试验样品 实验样品是一种对ASTM标准E399的圆盘紧凑拉伸样品DC（T）进行了改进的试样。这种样品与标准样品的稍微不同在于它没有被削平的部分也就是说没有尺寸c，形状上是一个完整的圆形。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。（样品的边缘是否可以有涂层，对结果会有什么影响？） 其中有一组复合试样，（这里所说的一组是复合样品的哪一组，还是所有的复合样品都是这种形式？）其试样中间有一个直径为3.2mm的孔，所以其机
械裂纹的长度名义上就变为8.0mm。这个机械加工缺口越过中间孔向试样背面延伸了大约0.5mm。（这里有孔样品与没有孔的样品在实验过程和结果上有区别没有？） 因为使用的试验样品和ASTM标准的E399DC(T)样品稍有不同，所以这里把K1值作为裂纹尺寸的函数，并采用有限元分析去确定K1值。（应力强度因子K1值与△K如何确定，可以直接读出还是需要自己计算？）结果显示，对于E399样品的描述同样适用于现在这种试验样品，并且误差在2%范围之内。这样的话，所有的计算过程都可以依据E399DC(T)样品的步骤来进行。 许多的实验圆片都是用中间是石墨、外围涂层是热解碳的三层复合材料制成。因为两种材料的弹性模量不同，所以在每一层上，给定的裂纹长度所对应的应力强度因子也不尽相同。在这篇文章中，假设所有的圆盘都具有一致的弹性模量，根据E399计算出了所有的应力强度因子的数据。 实验材料 石墨的样品是由半导体石墨股份有限公司利用石墨块切削加工制成的。根据钨的含量分为两个等级，AXF-5Q（含钨0%）和AXF-5Q10W（含钨10%）。（这里石墨样品的厚度为多少？） 单片热解碳样品是这样制成的：先在石墨圆盘两侧表面上涂覆0.69mm厚
金属材料 疲劳试验 疲劳裂纹扩展方法(标准状态：现行)
I C S77.040.10 H22 中华人民共和国国家标准 G B/T6398 2017 代替G B/T6398 2000 金属材料疲劳试验疲劳裂纹扩展方法M e t a l l i cm a t e r i a l s F a t i g u e t e s t i n g F a t i g u e c r a c k g r o w t hm e t h o d (I S O12108:2012,MO D) 2017-07-12发布2018-04-01实施中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局
目 次 前言Ⅲ 1 范围1 2 规范性引用文件1 3 术语和定义1 4 符号和缩写3 5 试样5 6 试验设备13 7 试验步骤1 8 8 裂纹长度测量21 9 计算22 10 试验报告23 附录A (资料性附录) 裂纹长度的非目测法测量 电位法28 附录B (资料性附录) 裂纹长度的非目测法测量 柔度法30 附录C (资料性附录) 含水介质中疲劳裂纹扩展测定的特殊要求36 附录D (资料性附录) 疲劳小裂纹扩展测定方法40 附录E (资料性附录) 疲劳裂纹张开力的测定方法44 参考文献48
前言 本标准按照G B/T1.1 2009给出的规则起草三 本标准代替G B/T6398 2000‘金属材料疲劳裂纹扩展速率试验方法“,与G B/T6398 2000相比主要技术变化如下: 修改了标准的适用范围(见第1章); 修改了规范性引用文件(见第2章); 修改了符号二定义,将其分为术语和定义二符号和说明两章(见第3章二第4章,2000版第3章); 修改了试样类型(见第5章,2000版第4章); 修改了试验设备要求(见第6章,2000版第5章); 修改了试验程序要求,本标准用第7章试验步骤和第8章裂纹长度测量来阐述对试验过程的要求; 修改了试验结果的处理和计算的要求(见第9章,2000版第7章二第8章); 删除了有效性试验数据的判据;删除了对高应变硬化材料的有效性试验数据的判据要求;删除了应力强度因子计算部分的内容; 删除原标准附录A内容;将原标准附录D作为本标准附录A(资料性附录);将原标准附录E 作为本标准附录D(资料性附录);将原标准附录F作为本标准附录E(资料性附录);增加本标 准附录C(资料性附录)含水介质中疲劳裂纹扩展速率测试的试验程序的要求三 本标准使用重新起草法修改采用I S O12108:2012‘金属材料疲劳试验疲劳裂纹扩展方法“三主要结构与国际标准一致三本标准对I S O12108:2012在以下方面进行了修改和补充,并在正文中它们所涉及的条款的页边空白处用垂直单线标识: 关于规范性引用文件,本标准做了具有技术性差异的调整,以适应我国的技术条件,调整的情 况集中反映在第2章 规范性引用文件 中,具体调整如下: ?用修改采用国际标准的G B/T25917代替I S O4965.1(见6.1.1); ?增加引用了G B/T10623(见第3章); ?增加引用了G B/T16825.1(见6.1.3); ?增加引用了I S O23788(见6.1.2)三 增加预裂纹长度的术语及定义(见3.20); 纠正I S O12108:2012的错误,将I S O12108:2012中 ΔK t h定义为裂纹扩展速率等于10-8mm/c y c l e时对应的ΔK值 ,修改为 ΔK t h定义为裂纹扩展速率等于10-7mm/c y c l e时 对应的ΔK值 (见9.3); 为与新的国际标准I S O23788‘金属材料疲劳试验机同轴度校准“要求保持一致,修改了试验 机同轴度的要求(见6.1.2,I S O12108:20125.1.2); 按照I S O23788关于加载同轴度的计算公式,删除了国际标准弯曲应变的计算公式(见6.1.2, I S O12108:20125.4.5)三 本标准还做了下列编辑性修改: 将I S O12108:2012的第5章 试验设备 和第6章 试样 的前后顺序进行了调整; 增加资料性附录B:裂纹长度非目测法测量 柔度法; 增加资料性附录C:含水介质中疲劳裂纹扩展测定的特殊要求; 增加资料性附录D:疲劳小裂纹扩展测定方法;
综述-铝合金疲劳及断口分析
文献综述 （2011级） 设计题目铝合金疲劳及断口分析 学生姓名胡伟 学号201111514 专业班级金属材料工程2011级03班指导教师黄俊老师 院系名称材料科学与工程学院 2015年4月12日
铝合金疲劳及断口分析 1 绪论 1.1 引言 7系铝合金包括Al-Zn-Mg 系和Al-Zn-Mg-Cu 系合金，此类合金具有密度低、比强度高、良好的加工性能及优良的焊接性能等一系列优点。随着应用在铝合金上的热处理工艺及微合金化技术的不断改进，其力学性能被大幅度强化，综合性能也得到了全面提升。在航空航天、建筑、车辆、、桥梁、工兵装备和大型压力容器等方面都得到了广泛的应用。 现代工业的飞速发展，对7 系铝合金的强度、韧性以及抗应力腐蚀性能等提出了更高的要求。但是，存在另外一个现象，在各行各业的领域中，铝合金设备偶尔会出现难以察觉的断裂，在断裂之前很难甚至无法察觉到一点塑性变形。这种断裂形式，对人身以及财产安全造成了不可挽回的损失。经过大量实验表明，这些断裂是由于材料的疲劳引起，材料在交变载荷的长期作用下，表面或者内部，尤其是内部会产生微观裂纹。本文主要研究铝合金疲劳引起的裂纹以及疲劳断口分析，此类研究对于日后的生产安全，有重大意义。 1.2 7系铝合金的发展历史 在20世纪20年代，德国的科学家研制出Al-Zn-Mg系合金，由于该合金抗应力腐蚀性能太差，并未得到产业内应用。在20世纪30年代初一直到二战结束期间，各个国家在研究中发现，Cu元素可以提高铝合金的抗应力腐蚀性能。在此，开发了大量Al-Zn-Mg 系合金，因此忽视了对Al-Zn-Mg 系合金的研究。德、美、苏、法等国在Al-Zn-Mg-Cu 系合金基础上成功地开发了7075 、B93 和D。T。 D683 等合金。目前正广泛应用在航空航天事业上，但是强度、韧性、抗应力腐蚀性能三者之间未能实现最佳组合状态。20世纪50年代，德国
疲劳裂纹扩展
不锈钢304L的疲劳裂纹扩展模拟 Feifei Fan, Sergiy Kalnaus, Yanyao Jiang （美达大学机械工程学院） 摘要：一个基于最近发展的疲劳方法的实验用来预测不锈钢304L的裂纹扩展。这种疲劳方法包括两个步骤：（1）材料的弹塑性有限元分析；（2）多轴疲劳标准在基于有限元分析的可输出的拉伸实验的裂纹萌生与扩展预测中的应用。这种有限元分析具有这样的特点：能够实现在先进循环塑性理论下扑捉材料在常幅加载条件下重要的循环塑性行为。这种疲劳方法是基于这样的理论:当累计疲劳损伤达到一个特定值时材料发生局部失效，而且这种理论同样适用于裂纹的萌生与扩展。所以，一组材料特性参数同时用来做裂纹的萌生与扩展预测，而所有的材料特性参数都是由平滑试样试验产生。这种疲劳方法适用于I型紧凑试样在不同应力比和两步高低加载顺序下等幅加载的裂纹扩展。结果显示，这种疲劳方法能够合理的模拟在试验上观察到的裂纹扩展行为，包括刻痕影响、应力比的影响和加载顺序的影响。另外，这种还方法能够模拟从刻痕到早期的裂纹扩展和疲劳全寿命，而且预测的结果和试验观察的结果吻合得很好。 关键词：累计损伤；疲劳裂纹扩展；疲劳标准 1 .简介 工程承压设备经常承受到循环加载，一般说来，疲劳过程有三个阶段组成：裂纹萌生和早期裂纹扩展、稳定裂纹扩展和最后的疲劳断裂。裂纹扩展速率dN da/通常被表示为重对数图尺在应力强度因素围上的一个功能。在常幅加载下，不同应力比时稳定的裂纹扩展结果通常服从Paris公式和其修正公式。常幅疲劳加载下不同材料的行为不同。有些材料表现为应力比的影响：在相同应力比时，裂纹扩展速率曲线一致，但是，应力比增大时，裂纹扩展速率也增大。而其他金属材料没有表现出任何应力比的影响，而且在恒幅加载其裂纹扩展速率曲线在重对数图纸上重合。 在变幅加载条件下疲劳裂纹扩展行为作为另一个课题已经研究了若干年了。过载和变幅加载的应用对疲劳裂纹扩展研究产生了重大的影响。对于大多数金属材料而言，上述加载方法的应用导致疲劳裂纹扩展速率减慢。基于线弹性断裂力学的理论，这种过渡行为经常使用应力强度因子和通过引入在稳定裂纹扩展状态下的
变幅载荷下疲劳裂纹扩展规律试验研究综述
第14卷第5期船舶力学Vol.14No.5 2010年5月Journal of Ship Mechanics May2010文章编号：1007-7294（2010）05-0556-10 变幅载荷下疲劳裂纹扩展规律试验研究综述 钱怡1,2，崔维成2 （1江南大学机械工程学院，江苏无锡，214122；2中国船舶科学研究中心，江苏无锡，214082） 摘要：文章对最近10年来有关变幅载荷下材料疲劳裂纹扩展和失效规律的实验研究方面的最新成果进行了归纳总结。综述内容包括：过载、低载在疲劳裂纹扩展中的作用；过载-低载组合作用时裂纹扩展的情况；基线载荷的影响；块载大小、长度对疲劳裂纹扩展的影响；试件影响；低于应力强度因子门槛值的小应力在变载疲劳裂纹扩展中的表现等六个方面。通过这一综述，进一步验证了部分结论的正确性，同时也发现了部分结论的不完善性。 文中也提出了变幅载荷下疲劳裂纹扩展模型的初步设想。 关键词：疲劳裂纹扩展；疲劳寿命；变幅载荷；载荷次序效应；疲劳实验 中图分类号：0346.2文献标识码：A An overview on experimental investigation on variable amplitude fatigue crack growth rule QIAN Yi1,2,CUI Wei-cheng2 (1School of Mechanical Engineering,Jiangnan University,Wuxi214122,China 2China Ship Scientific Research Center,Wuxi214082,China) Abstract：An overview of the present state of the art is carried out for the experimental study of the vari-able amplitude fatigue problem in the last10years.The summary is divided into six categories:overload(un-derload)effects on fatigue crack growth;the combination effects of overloads and underloads;the role of baseline load;the effects of magnitude and length of block loads;the influence pattern specimen and the be-havior of small stress,etc.Through this overview,some former conclusions were further confirmed while some previous conclusions about fatigue crack growth rule were found incomplete.The general idea for de-veloping a new model of fatigue crack growth is proposed. K ey words:fatigue crack growth;fatigue life;variable amplitude loading;load interaction effects; fatigue tests 1引言 绝大多数工程结构在变幅载荷作用下工作，尤其是船舶、海洋结构物以及飞机部件等，疲劳损伤是它们失效的主要原因。迄今为止，关于结构在变幅载荷下的疲劳寿命预测研究已有80多年的历史，取得了大量的研究成果，其中最早期，也是最著名的如P覽lmgren-Miner的线性累积损伤理论，它以形式简单，便于使用而备受工程领域的欢迎，但该模型的不足之处也显而易见，即载荷的次序效应被忽略。随后的研究发现，除了材料自身的特性外，疲劳裂纹的扩展规律取决于所作用的载荷的大小和方式，载荷 收稿日期：2010-01-22 作者简介：钱怡（1962-），女，江南大学机械工程学院副教授； 崔维成（1963-），男，博士，中国船舶科学研究中心研究员，博士生导师。