西安交通大学材料力学性能实验报告—疲劳裂纹门槛值
疲劳裂纹;扩展速率;门槛值;剩余寿命;测试系统精讲
论文总结
(2)对影响疲劳裂纹扩展速率的因素进行分 析，提出表面疲劳裂纹监测系统框图，说 明在工程中应用的意义及特点。
论文总结
(3) 因为疲劳裂纹扩展而使机械零 件和工程构件出现疲劳失效，因为没 有即时的预防而造成的损失是非常大 的，为了预防其破坏设备和构件的正 常运行，就要对构件进行适时监控， 用最有效的方法解决问题，所以对疲 劳裂纹扩展规律研究是十分必要的。
K th/ dN 105 da
研究内容及方法
⑶疲劳裂纹扩展理论门槛值 从理论上，门槛值 K th是指疲劳裂纹扩展速 率 da / dN 0 所对应的应力强度因子变程 K， 实际中难以直接测量，故目前工程中规定用， da / dN 10 7 mm/ cycle所对应的值作为门槛 值来取而代之 。美国试验与材料学会(ASTM) 和中国国家标准局先后给出了类似的确定方 法。为区别，将前者称之为理论门槛值 K thT 而将后者称之为实用门槛值 K thO
哈尔滨石油学院 毕业设计论文
论文题目: 院 系: 专 业: 姓 名: 指导教师:
断裂力学疲劳裂纹扩展规律研究 石油工程系 石油工程 齐道源 李 其
主 要 内 容
1.研究疲劳裂纹扩展的意义
2.研究内容及方法 3.论文总结
1.研究疲劳裂纹扩展的意义
(1) 疲劳研究的主要目的是精确地估 算机械结构的零构件的疲劳寿命，保证 在服役期内构件不会发生疲劳失效；采 用经济而有效的技术和管理措施以延长 疲劳寿命，从而提高产品质量，增强产 品在国内外市场上的竞争力。因此，对 材料和构件的疲劳研究仍为国内外学者 和工程界所关注。
N 1 8 CJ ln[sec( )] E 2 s
2 s
aN ln a0
复合材料疲劳_型层间裂纹扩展门槛值试验方法研究
作者建立了一种基于现代光、 电以及数据图像分析技术上的复合材料层间裂纹长度测 量技术 . 支持这一技术的硬件系统构成如图 3 所示. 其中, 前级的摄像机以及光学元件对层
# 382 #
固体力学学报
2002 年 第 23 卷
间裂纹进行捕获和放大, 形成裂纹的清晰图像并将之输入计算机; A D 卡将试验机内的试 验模拟信号 ( 载荷、 变形量、 循环次数 ) 转变成数字信号输入计算机; 计算机作为中央处理器 在试验应用软件的控制下对裂纹图像和试验信号进行处理和分析, 得出对应于不同疲劳循 环次数下的裂纹长度、 载荷、 变形量等试验数据并自动生成不同种类的数据文件以备后期处 理. 这一技术可以自动测量层间裂纹, 并能连续监测复合材料层间裂纹的疲劳扩展过程.
437 547 507 493 421 451 283 291 259
T300 改性环氧
作者对 T300 5405 和在不同层间裂纹长度下的柔度值进行了测定. 从图 4 可以看到, 在 ENF 加载条件下 , 柔度值基本上正比于层间裂纹长度的三次方 . 在位移控制的疲劳试验中 ,
max
和
min
基本保持不变, P max 和 P min 成为试验中可变的参
图5
载荷随循环次数的变化
大. 图 7 是用层间裂纹自动监测方法对层间裂纹长度随循环次数的变化进行实际测量的结 果. 从图上可以看到复合材料的层间裂纹长度随循环数的增加而逐渐扩大 , 并且可以用循环 数的二次函数进行很好的拟合 . 可见, P max 的降低源于层间裂纹的增长过程 .
图 6 柔度随循环次数的变化
c max m ax
= k c、 R= (
m in
max
材料性能学答案-最新整理版(1)
共 4 页 第 页1. 通过静载拉伸实验可以测定材料的 弹性极限、屈服极限、 抗拉强度、断裂强度、比例极限等（答对3个即可）强度指标，及 延伸率 、 断面收缩率 等塑性指标。
2.按照断裂中材料的宏观塑性变形程度，断裂可分为脆性断裂和韧性断裂；按照晶体材料断裂时裂纹扩展的途径（断裂方式），可分为穿晶断裂和沿晶断裂；按照微观断裂机理，可分为解理断裂和剪切断裂3. 单向拉伸条件下的应力状态系数为 0.5 ；而扭转和单向压缩下的应力状态系数分别为 0.8 和 2.0 。
应力状态系数越大，材料越容易产生 (塑性) 断裂。
为测量脆性材料的塑性，长采用压缩的试验方法4.在扭转试验中，塑性材料的断裂面与试样轴线 垂直 ；脆性材料的断裂面与试样轴线 成450角。
5. 低温脆性常发生在具有 体心立方或密排六方 结构的金属及合金中，而在 面心立方 结构的金属及合金中很少发现。
6. 材料截面上缺口的存在，使得缺口根部产生 应力集中 和 双（三）向应力或应力状态改变 ，试样的屈服强度 不变，塑性 降低 。
7.根据磨损面损伤和破坏形式（磨损机理），磨损可分为4类：粘着磨损、磨料磨损、腐蚀磨损和麻点疲劳磨损（接触疲劳）8.典型的疲劳断口有3个特征区：疲劳源、疲劳裂纹扩展区和瞬断区。
疲劳裂纹扩展区最典型的特征是贝纹线9. 在典型金属与陶瓷材料的蠕变曲线上，蠕变过程常由 减速蠕变 ，恒速蠕变 和 加速蠕变 三个阶段组成。
10.根据材料磁化后对磁场所产生的影响，可以把材料分为3类：抗磁性材料、顺磁性材料和铁磁性材料11.一般情况下，温度升高，金属材料的屈服强度下降；应变速率越大，金属材料的屈服应力越高。
12.温度对金属材料的力学性能影响很大，在高温下材料易发生沿晶断裂。
13. 拉伸试样的直径一定，标距越长则测出的断后伸长率会越小14.宏观断口一般呈杯锥装，由纤维区、放射区和剪切唇3个区域组成。
材料强度越高，塑性降低，则放射区比例增大。
材料力学性能参考答案
填空：1．影响材料弹性模数的因素有键合方式和原子结构、晶体结构、化学成分、微观组织、温度、加载条件和负荷持续时间等。
2．提供材料弹性比功的途径有二，提高材料的弹性极限，或降低弹性模量。
3．退火态和高温回火态的金属都有包申格效应，因此包申格效应是具有的普遍现象。
4．金属材料常见的塑性变形机理为晶体的滑移和孪生两种。
5．多晶体金属材料由于各晶粒位向不同和晶界的存在，其塑性变形更加复杂，主要有各晶粒变形的不同时性和不均匀性及各晶粒变形的相互协调性的特点。
6．影响金属材料屈服强度的因素主要有晶体结构、晶界与亚结构、溶质元素、第二相、温度等。
7．产生超塑性的条件是（1）超细晶粒；（2）合适的条件，变形温度≥0.4Tm，应变速率ε≤ 10－3s－1 ；（3）应变速率敏感指数较高0.3≤m≤1 。
8．材料的断裂过程大都包括裂纹的形成与扩展两个阶段，根据断裂过程材料的宏观塑性变形过程，可以将断裂分为韧性断裂与脆性断裂；按照晶体材料断裂时裂纹扩展的途径，分为穿晶断裂和沿晶断裂；按照微观断裂机理分为剪切断裂和解理断裂；按作用力的性质可分为正断和切断。
9.包申格效应：金属材料经过预先加载产生少量的塑性变形,而后再同向加载,规定残余伸长应力增加；卸载时降低的的现象。
10．剪切断裂的两种主要形式为滑断（纯剪切断裂）和微孔聚集性断裂。
11．解理断口的基本微观特征为解理台阶、河流花样和舌状花样。
12．韧性断裂的断口一般呈杯锥状，由纤维区、放射区和剪切唇三个区域组成。
13．韧度是衡量材料韧性大小的力学性能指标，其中又分为静力韧度、断裂韧度和冲击韧度。
14. 材料在受到三向等拉伸应力作用时压力状态最硬，其最大切应力分量分量为零，材料最易发生脆性断裂，适用于揭示塑性较好的金属材料的脆性倾向。
单向拉伸时，正应力分量较大，切应力分量较小，应力状态较硬。
一般用于塑性变形抗力与切断抗力较低的所谓塑性材料试验；弯曲、扭转时应力状态较软，材料易产生塑性变形，适用于在单向拉伸时容易发生脆断而不能充分反映其塑性性能的所谓脆性材料；材料的硬度试验属于三向压缩状态，应力状态非常软，可在各种材料上进行。
西安交通大学材料力学性能试验报告——冲击韧性(excel画的图)
材料力学性能实验报告姓名：李尧班级：材料94 学号：09021089 成绩：实验名称实验一缺口冲击韧性实验实验目的 1.掌握常温及低温下金属冲击试验方法；2.学会用能量法确定金属冷脆能变温度t；k3.了解冲击试验机结构、工作原理及正确使用方法。
实验设备 1.游标卡尺；2.20#钢退火态试样和40Cr调质态试样各三根；3.JBW-300示波冲击试验机；4.液氮，酒精；5.温度计。
试样示意图图1 冲击试验标准试样示意图实验结果记录20#退火态和40Cr调质态试样的冲击吸收总功记录见附录。
根据裂纹形成能量、裂纹扩展能量以及总冲击能量，以及冲击记录的示波图，得到，裂纹萌生功= 裂纹形成能量；裂纹扩展功=裂纹扩展能量-裂纹形成能量；裂纹撕裂功=总冲击能量-裂纹扩展能量。
20#退火态和40Cr调质态试样的裂纹萌生功、裂纹扩展功和裂纹撕裂功分别见表1和表2：表1 20#退火态各试样的裂纹萌生、扩展、撕裂功记录表试样编号温度/℃裂纹萌生功/J 裂纹扩展功/J 裂纹撕裂功/J 1-1 20 45.8112 0.4700 1.33701-3 20 44.0039 2.2082 20.17314-4 20 30.6656 1.7666 15.3820-2 0 38.8878 0.2872 1.05400-3 0 38.8078 0.2678 2.39715-3 0 37.4989 0.7339 2.47645-2 0 35.4670 0.3494 1.76661-4 -30 6.6485 0.3104 2.40011-6 -30 6.7921 0.3238 2.8115表1 40Cr调质态各试样的裂纹萌生、扩展、撕裂功记录表试样编号温度/℃裂纹萌生功/J 裂纹扩展功/J 裂纹撕裂功/J1-2 20 50.2343 1.4006 18.3959A-1 20 42.0885 2.1613 26.5258B-3 0 41.405 1.4651 14.6755D-3 0 33.6908 0.7463 25.86235-3 0 39.5793 1.1635 4.59205-2 -30 33.9825 1.2214 5.18192-2 -30 26.9017 2.6659 29.03643-2 -60 32.2844 1.4816 19.57542-2 -60 47.6899 0.3546 9.17776-3 -90 40.5959 2.3280 10.0549实验数据处理根据表1和表2，以及各试样在不同温度下的冲击吸收功，做各试样的冲击吸收总功、裂纹萌生功、裂纹扩展功和裂纹撕裂功与温度的关系曲线，分别得到图2—9八幅图：0102030405060-100-80-60-40-202040冲击总功/J温度/℃28.7-11.5ETT 50图2 20#退火态试样冲击总功与温度关系曲线05101520253035404550-40-30-20-10102030裂纹萌生功/J温度/℃图3 20#退火态试样裂纹萌生功与温度关系曲线图4 20#退火态试样裂纹扩展功与温度关系曲线0510152025-40-30-20-10102030裂纹撕裂功/J温度/℃图5 20#退火态试样裂纹撕裂功与温度关系曲线01020304050607080-100-80-60-40-202040冲击总功/J温度/℃-33.056.7EET 50图6 40Cr 调质态试样冲击总功与温度关系曲线图7 40Cr 调质态试样裂纹萌生功与温度关系曲线图8 40Cr调质态试样裂纹扩展功与温度关系曲线图9 40Cr调质态试样裂纹撕裂功与温度关系曲线冷脆转变温度金属韧脆转变温度：有些金属在其使用温度降低时，其塑性、韧性便急剧降低，使材料脆化，冲击值降低，这一现象为冷脆。
疲劳裂纹;扩展速率;门槛值;剩余寿命;测试系统精讲
研究内容及方法
⑵监测系统软件 表面疲劳裂纹监测系 统软件全部由C语言编程。系统特点如 下： ①通过人机对话方式对采样参数进行 设定，操作简便； ②数据采集采用实时时钟中断方式进 行，采集过程中可对采样数据进行实 时处理、实时显示采样数据、波形和 图形，不影响数据采集的连续性；
研究内容及方法
③采样监视阶段，可对采样数据的漂移 做进一步的调零处理，使采样精度大大 提高； ④实现了对采样时间的累加与再现，为 疲劳寿命预测提供了依据； ⑤根据设定报警限实时报警，以测得的 裂纹值作为初始裂纹，按照损伤容限设 计理论实时预测疲劳裂纹剩余寿命；
论文总结
(2)对影响疲劳裂纹扩展速率的因素进行分 析，提出表面疲劳裂纹监测系统框图，说 明在工程中应用的意义及特点。
论文总结
(3) 因为疲劳裂纹扩展而使机械零 件和工程构件出现疲劳失效，因为没 有即时的预防而造成的损失是非常大 的，为了预防其破坏设备和构件的正 常运行，就要对构件进行适时监控， 用最有效的方法解决问题，所以对疲 劳裂纹扩展规律研究是十分必要的。
， m J 1.84。列出拟合后得到的结果以及
da 1.40 (J )1.84 dN
研究内容及方法 用最小二乘法拟合 得到的压力容器业 常用材料16 MnR的 J 积分疲劳裂纹扩 展公式为：
da 1.40 (J )1.84 dN
16MnR的 ln( da / dN ) ln( J ) 拟和曲线
研究内容及方法
若理论门槛值 K thT与实用门槛值 K thO 相差很小，用后者替代前者当然可行。但 有试验发现，当 K K thO 时，仍能观测到 K thT 裂纹的明显扩展。对于有的材料， 与 K thO 之间的差别是明显的。在这样的场合，将 材料的实用门槛值代替理论门槛值用于结 构的损伤容限设计，无疑将冒风险。因此， 找到一种较为可靠的确定理论门槛值的方 法就显得很有意义。
实验疲劳实验
N
1 (3392 5382 4372 1362) 13
380
MPa
金属的断裂韧度
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）
2.弹性应力场方程的推导
1 v
E 2r
KI
cos
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 cos 3
22
v 式中: ——泊松比 E ——拉伸杨氏模量
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
1.疲劳S-N曲线
测定S－N曲线（即应力水平－循环次数N曲线）采用成组法。至少取五级应
力水平，各级取一组试件，其数量分配，因随应力水平降低而数据离散增大，故 要随应力水平降低而增多，通常每组5根。升降法求得的，作为S－N曲线最低应 力水平点。然后，以最大应力为纵坐标，以循环数N或N的对数为横坐标，用最佳 拟合法绘制成S－N曲线
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。
高温合金的高温疲劳裂纹扩展门槛值试验
高温合金的高温疲劳裂纹扩展门槛值试验王亮;黄新跃;郭广平【摘要】疲劳裂纹扩展门槛值反映材料抗裂纹扩展的能力,是重要的材料性能指标.室温疲劳试验已经成为标准试验方法,但是该方法能否拓展到高温下,并应用于高温合金,尚无试验数据.根据目前的测试技术,试验温度在600℃以下可以使用目测法进行裂纹扩展试验,而在600℃以上,由于试样表面氧化,目测无法观察,所以使用自动测量方法——直流电位法.但由于裂纹扩展门槛值试验时间很长(上百小时),试验难度非常大.该文介绍了粉末高温合金、变形高温合金以及定向凝固高温合金3种高温合金最高到850℃的疲劳裂纹扩展门槛值试验,使用目测法和直流电位法两种方法进行裂纹长度测量.结果表明:直流电位法可以用于高温疲劳裂纹扩展门槛值试验,但试验数据还存在一定的分散性,尚需进一步研究提高裂纹长度测量精度.【期刊名称】《理化检验-物理分册》【年(卷),期】2015(051)006【总页数】5页(P394-398)【关键词】高温疲劳试验;高温疲劳裂纹扩展门槛值;直流电位法;高温合金【作者】王亮;黄新跃;郭广平【作者单位】中航工业北京航空材料研究院,先进高温结构材料重点实验室,航空材料检测与评价北京市重点实验室,北京100095;中航工业北京航空材料研究院,先进高温结构材料重点实验室,航空材料检测与评价北京市重点实验室,北京100095;中航工业北京航空材料研究院,先进高温结构材料重点实验室,航空材料检测与评价北京市重点实验室,北京100095【正文语种】中文【中图分类】TG155.5;TB302.11964年，Lui H W［1］通过观察分析疲劳裂纹扩展试验数据发现，当疲劳裂纹扩展速率da／dN趋向于零时，裂纹尖端的应力强度因子范围ΔK趋向于一个极小值，这个对应零裂纹扩展速率的应力强度因子范围的极小值是一个与加载应力比R相关的材料参数，被称作疲劳裂纹扩展门槛值，即ΔKth。
在门槛值区，随着ΔK的逐渐降低，裂纹扩展速率趋势发生变化，不再是匀速下降，而是加速下降。
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实验报告十
姓名班级学号成绩
实验名称金属材料疲劳裂纹扩展门槛值测定实验目的
了解疲劳裂纹扩展门槛值测定的一般方法和数据处理过程，增加对断裂力学用于研究疲劳裂纹扩展过程门槛值的作用和认识。
实验设备
高频疲劳试验机一台；工具读数显微镜一台；千分尺一把；三点弯曲试样一件
试样示意图
三点弯曲试样示意图
实验初始数据记录及处理结果
1. 实验原始记录（见附表）
2. 数据处理
近门槛值附近的da/dN用割线法处理，用表达式
(da/dN)i=(ai+1-ai)/(Ni+1-Ni)
算出各个编号的da/dN值。
而ΔK的表达式如下：
式中W=25.00mm，B=12.50mm
对应于(da/dN)i的ΔK值通过取每级力值下的平均裂纹长度a i和对应的P i代入相应的ΔK表达式计算得到。
取10-7mm/周次≤da/dN≤10-6mm/周次的(da/dN)i对ΔK 一组数据，按paris公式
以log(da/dN)为自变量，用线性回归法拟合曲线。
具体计算结果如下：
疲劳裂纹扩展数据及应力强度因此计算值
序号da/dN（m/
周次）
log(da/dN)△K Log（△K）
18.28571E-
09
-8.0816712.4190 1.0941
29.41176E-
09
-8.0263311.7661 1.0706
31.21212E-
08
-7.9164511.1812 1.0485
47.16049E-
09
-8.1450610.5471 1.0231
5 5.75E-09-8.240339.81710.992
63.97059E-
09
-8.401159.11440.9597
72.83951E-
09
-8.546768.44640.9267
87E-10-9.15497.76590.8902 95E-10-9.301037.08690.8505 106E-11-10.2218 6.43880.8088
根据上图，拟合Log(△K)- log（da/dN）关系曲线如下：
Log(△K)- log（da/dN）关系曲线
当da/dN=10-7mm/周次时，log（da/dN）=-10将其代入方程中，得到
log（△K）=0.812
△Kth=6.49MPa·m1/2
C=3.05×10-20n=11.711
思考题
1. 分析讨论金属材料疲劳裂纹扩展速率和疲劳裂
纹门槛值测试原理和方法的异同之处。
答：相同点：都使用三点弯曲试样；都需要
paris公式进行线性拟合得到Log(△K)-
log（da/dN）关系。
不同点：测量疲劳裂纹门槛值主要是在应力强度因子范围内，在应力比R不变的情况下通过逐级降力进行的。
而疲劳裂纹扩展速率主要是在载荷不变的情况下且其最大载荷为一恒定值。