疲劳裂纹预制

a0afAfa90º~120º60º疲劳裂纹的预制1实验目的为测定金属材料的平面应变断裂韧度KIC而预制疲劳裂纹2仪器及设备1、程控高频疲劳机2、镜式引伸仪3、高度尺4、平台3实验原理由于线弹性断裂力学所研究的对象是尖锐裂纹，所以，测定KIC所用试件的裂纹尖端必须是尖锐的，这种尖锐裂纹常利用疲劳试验的方法加以制作。通常的做法是先用机械加工方法或电火花方法加工出一引发缺口，然后在疲劳试验机上加交变循环载荷预制出疲劳裂纹。因此，试件的裂纹由引发缺口和疲劳裂纹两部分组成，裂纹长度a就等于引发缺口长度a0与疲劳裂纹长度af之和（如图7－1所示），裂纹长度a应在0.45W~0.55W(W为试件的高度)之间。为避免引发缺口根部附近材料状态的变化对裂纹尖端附近材料性质的影响，制作出合格的裂纹，要求引发缺口长度要比疲劳裂纹长度大，通常在af≥0.05a与af≥1.3mm中选较大值为疲劳裂纹长度。图7－1裂纹结构示意图图7－2山形切口示意图疲劳裂纹引发缺口共有四种形式：直通型缺口、山形缺口（如图7－2所示）、末端为圆孔的缺口以及钼丝切割的缺口。为保证顺利地预制出合格的疲劳裂纹，切口根部半径应足够小。其中，山形切口的根部半径≤0.25mm,其余切口的根部半径≤0.08mm。三点弯曲疲劳试样及实验装置如图7－3所示。4试样形状和尺寸试件形状凡是具有KI标定表达式且便于测试的试样，都可以用来测定KIC。GB4161—1984国家标准规定了四种标准试样：三点弯曲试样、紧凑拉伸试样、C型拉伸试样，以及圆形紧凑拉伸试样。三点弯曲试样具有容易加工和便于加载的优点，平面应变断裂韧度KIC的测定常采用三点弯曲试样，它的简图如图7－3所示。图7－3三点弯曲疲劳试样及实验装置试样尺寸大量试验结果表明，一般情况下，材料的临界应力强度因子KIC与试样厚度B，裂纹长度a和韧带宽度（W－a）均有关。只有当试样尺寸满足平面应变和小范围屈服的力学条件时，才能获得稳定的KIC值。为此要求()BaWa≥22.5()ICYK式中，B是由平面应变条件对厚度的要求，a和（W－a）是小范围屈服条件对裂纹长度和韧带宽度的要求,Y为屈服极限S或名义屈服极限2.0。因为材料的S或2.0是已知的，故只要估计一个KIC值就可确定试样的厚度B。若KIC值难以估计，可按GB4161-84所推荐的数据，按Eys/来选择B。厚度B确定后，标准试样的高度W和跨度S的尺寸按以下比例确定，即B∶W∶S＝1∶2∶8试样总长L要稍大于S，可取L＞4.1W。5载荷的确定交变载荷Pf为防止在疲劳裂纹尖端形成过大的塑性区而使裂纹尖端钝化，必须对预制疲劳裂纹时所施加的交变载荷的最大值加以限制。通常规定交变载荷的最大值在裂纹尖端产生的应力强度因子Kfmax不得大于0.6~0.7KIC,这一要求只在后一半疲劳裂纹的预制过程中得到满足即可，为了防止试样发生脆断，在施加动载荷之前，常先施加一定强度的静载荷，另外为了使裂纹及早形成，开始时可以施加较大的载荷。应该注意的是，在按上述要求估算预制疲劳裂纹所加交变载荷的最大值时，不能采用选择B时所取的KIC估计值，而要取一个偏低的值。图8－1三点弯曲试样（TPB试样）BSLFWaafan取预制疲劳裂纹所加交变载荷的应力比R≤0.1（R=Pfmin/Pfmax）,按下述方法估算预制后一半疲劳裂纹所施加的交变载荷：选定KIC估计值，按Kfmax＝0.6~0.7KIC计算Kfmax，再将Kfmax和a/W=0.5代入试件的KI计算公式计算出对应的P,即为所加交变载荷的最大值Pfmax，而交变载荷的最小值则为Pfmin≤0.1Pfmax。静载荷Pl和动载荷Pa静载荷Pl和动载荷Pa可分别按以下两式确定Pl＝Pfmin＋0.5×(Pfmax-Pfmin)Pa＝0.5×(Pfmax-Pfmin)6实验步骤1、试样外形尺寸的测量。试验前用卡尺在裂纹前缘韧带部分测量试件厚度B三次，测量精度精确到0.1%B或0.025mm，取其较大者，计算平均值。在切口附近测量试样宽度三次，测量精度精确到0.1%W或0.025mm，取其较大者，计算平均值。测出机制裂纹长度a0；2、在平台上，用高度尺对试样划三条水平平行线，第一根以a0的端点为切线，然后隔1mm划一根线；再隔0.5mm再画一根线；3、装好试样，调好跨度S，使机械切口对准S/2处；4、按高频疲劳机操作步骤加静载荷Pl；5、启动动载荷部分，选好共振频率，5分钟后按疲劳机动载控制部分操作规定加动载荷Pa；6、调好镜式引伸仪，使观察机制裂纹及端点划线清晰为好，仔细观察疲劳裂纹的形成。当主裂纹形成后，减小10％Pa；当疲劳裂纹扩展到1.5mm处时，立即关闭振动开关、动载开关，然后卸掉静载荷，取下试样。7实验结果的处理取下试样后，认真测量表面疲劳裂纹长度af，满足要求就准备在试样上粘贴刀口，准备下一步测KIC的工作。8注意事项1、在预制裂纹过程中，操作者不得离开设备，随时观察裂纹扩展的进展情况，观察载荷有无变化，如与预定不符，立即调整。2、疲劳裂纹不宜过长，表面af达到1.5mm,试样中心可能已达到2mm,如果裂纹过长，会使载荷及扩展速率失稳，整个实验失败。