一.
《金属材料疲劳裂纹扩展速率实验》
实验指导书
飞机结构强度实验室
2007年3月
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 ?
公式（式3）、Hartman 公式（式4）、Klesnil 公式（式5）、IAB 公式（式6）等。 d d ()
n
a N C K =?
(1)
()max d d 1n
m
a N C R K ??
=-??
(2) ()
()d d 1n
c a N C K K R K =?--?????
(3) ()
d d n
th a N C K K =?-?
(4) ()d d n
n
th a N C K K =?-?
(5)
()()d d 1n
n
th c a N C K K K R K =?-?--?????
(6)
Paris 公式由于形式简单，一直得到广泛的应用，它能够较好的描述裂纹扩展
的第II 阶段。Walker 公式也主要用于描述裂纹扩展的第II 阶段，它是Paris 公式的改型，增加了对应力比R 的考虑。Forman 公式可以更好的描述裂纹扩展的第III 阶段。Hartman 公式和Klesnil 主要用于描述第I 阶段的裂纹扩展规律。IAB 公式可以全面的描述裂纹扩展的三个阶段，但公式的复杂性就定了它在工程应用中不多。
2.2 影响疲劳裂纹扩展的因素
1．与材料有关的影响因素
（1）材料产品的类型。如板材、挤压件、锻件等。对于相同的材料，若产品类型不同，则dN da 会有明显的差别。
（2）热处理工艺。材料成分相同，但热处理工艺不同，会导致材料的微观组织的差别，从而影响材料对裂纹扩展的阻力，造成dN da 的不同。
（3）厚度。由相同材料制成的构建，厚度不同，则在裂纹尖端附近材料处于不同的应力状态，随着厚度的增加，dN da 呈加大的趋势。
2．与环境有关的因素
（1）腐蚀介质。腐蚀疲劳裂纹扩展包含两部分裂纹扩展机制，应力腐蚀作用下的裂纹长度随时间的扩展速率和交变载荷所引起的疲劳裂纹扩展。通常腐蚀条件下的裂纹扩展速率会高于惰性气体环境（干燥空气）中的疲劳裂纹扩展速率，并与加载频率和波形有关。
（2）温度。因为材料的塑性行为与温度有关，在较高的温度下，循环塑性变形易于进行，dN da 将增大。高温下的疲劳裂纹扩展速率也与加载频率和波形有密切关系。
（3）加载频率和波形。在惰性环境（干燥气体）和室温条件下，在常用的加载频率内，频率对dN da 的影响不显著。在惰性环境与室温下载荷波形对dN da 的影响也不明显。在相同的腐蚀介质和（或）高温条件下，通常频率越低，dN da 越大，且变化比较显著，波形的影响也不可忽略，一次循环中较大在和施加的时间越长，则dN da 越大。
3 试验装置和试样
本试验是测定金属材料在试验室空气环境下裂纹稳定扩展阶段的裂纹扩展速率。
3.1 试验装置
疲劳裂纹扩展速率试验允许在不同类型的拉压疲劳试验机上进行，但必须满足：1）使试样受载对称分布；2）在静态下校正载荷，其误差不超过%1±，示值变动度不超过1%；在动态下校正载荷，其误差不超过%3±；3）带有准确的计数装置。
CT 试样的加载装置为U 型夹具，其材料的条件屈服强度2.0σ应大于980.72m MN ，销钉与销孔间隙应设计得使摩擦减至最小。CCT 试样的加载装置应保证在整个试验过程中试样工作区域内应力均匀分布，为限制屈曲，薄板试样必须采用约束导板。
3.2 试样
金属材料的疲劳裂纹扩展试验可以采用标准CT （图2）试样或标准CCT （图3）试样。
试样厚度：对于CT 试样而言，推荐厚度范围为420W B W ≤≤（mm W 25≥）；对于CCT 试样，推荐试样厚度上限为W ，所必要的最小厚度要能避免屈曲。
试样宽度：为测得有效的试验数据，应根据材料的条件屈服强度2.0σ以及预期的最大应力强度因子的极限值L K max 和CT 试样的W a 或CCT 试样的W a 2极限值选择试样的最小可宽度W 。
试样切口：CT 试样的切口长度n a 应不小于W 2.0。CCT 试样的切口前缘到中心的距离n a 应不小于中心孔径的3倍，当采用柔度法测量裂纹长度时，建议中心裂纹长度n a 2不小于W 2.0。试样切口可通过铣切、线切割和其他方法加工而成。
试样不可避免地会存在残余应力，它有可能引起疲劳裂纹扩展速率的变化。通过选择合适的试样形状和尺寸及合理的试样加工与热处理工艺等，使残余应力对疲劳裂纹扩展速率的影响尽量减小。
疲劳裂纹扩展速率并非总是与试样的几何形状无关，试样厚度的变化对疲劳裂纹扩展速率的影响有可能增大、减小或保持不变，因此，对试样的厚度效应应当引起注意。
2-φ 0.25W+0.05
图2 标准CT试样图
2-φ W/3
图3 mm
≤的标准CCT试样图
W75
4 试验过程
4.1 试样尺寸测量
用精度为0.01mm的量具在试样的韧带区域三点处测量厚度B，取平均值。用精度不低于0.001W的量具在试样的裂纹所在截面附近测量宽度W。
4.2 预制疲劳裂纹
预制疲劳裂纹时应使最大载荷max P 的误差控制在%5±以内，预制疲劳裂纹最后一级的最大载荷不得超过开始记录试验数据时的最大载荷值，须把较高的载荷分级降到试验最大载荷，每级下降率不得大于%20。为防止试验时的瞬变效应，
每一级加载范围应使裂纹长度扩展量不小于()()2
2.0max 3σπK '，其中max
K '为上一级载荷最后的最大应力强度因子max K 值。
在前后表面上从切口顶端到疲劳裂纹尖端测量裂纹长度（CCT 试样前后表面均要测左右两个裂纹长度），测量应准确到0.1mm 或0.002W 中较大的一个，所测各个裂纹长度均应大于0.1B 和缺口宽度h ，但不得小于2.5mm 。若前后表面裂纹长度测量值之差超过0.25B 或左右两侧裂纹长度测量值之差超过0.025W ，则试验无效。
4.3 疲劳裂纹扩展试验
在试验载荷下记录若干个循环数及其对应的裂纹长度。试验中应注意：1）应保持在和稳定和避免过载迟滞效应；2）当存在环境影响时，必须考虑载荷水平、频率和波形的影响；3）若长时间中断试验，而中断后的裂纹扩展速率比中断前小，则试验无效；4）试验中任何一点平均穿透疲劳裂纹与试样对称平面的偏离大于5度，此点数据无效；5）在试验中某一点处前后表面裂纹长度测量值相差超过0.025W ，则此点数据无效。
4.4 裂纹长度测量
裂纹长度的测量可以采用目测法、柔度法、点位法等，这里采用目测法进行测量。用目测法或等效的方法测量疲劳裂纹长度时，测量精度应不低于0.1mm 及0.002W 中较大的一个。
测量裂纹长度最好在不中断试验的情况下进行，若需中断试验测量时，应满足：1）中段时间应减至最少；2）为增加裂纹尖端的清晰度，可加静载，其值应小于最大试验载荷。
裂纹增量a ?的测量间隔应使K dN da ?-数据点接近均匀分布。在任何情况下，最小的a ?应为0.25mm 或10倍于裂纹长度测量的精度，取两者中的较大值。用目测法测量裂纹长度时，当W B 小于0.15时，只需在一个表面上测量裂纹长度，对CCT 试样要在左右两侧的两裂纹长度，取平均值。当W B 大于0.15时，则需在前后两个表面上测量裂纹长度，取平均值，对于CCT 试样则需要在前后表面的左右两侧测量四个裂纹长度，取平均值。 5 试验结果处理
5.1 裂纹曲率的修正
试验结束之后检验断口，以确定裂纹前缘曲率范围，若需要进行曲率修正，且裂纹前缘线条明显，则至少在两个位置（例如预制裂纹和极限裂纹）测量厚度方向()B 41、()B 21、()B 43三点处的裂纹长度，其平均值与试验记录的相应裂纹长度之差即为曲率修正量。在任何一个位置上，由平均裂纹长度计算出的应力强度因子和由试验裂纹长度计算出的应力强度因子相差大于5%，则需要进行曲率修正。裂纹曲率修正量不是一个恒量，当它随裂纹伸长而单调增加或减少时，则采用线性内插法修正中间各数据点。
5.2 疲劳裂纹扩展速率的确定
由()N a ,数据得到dN da 时，建议采用递推多项式方法进行局部拟合求导，以确定疲劳裂纹扩展速率和裂纹长度的拟合值队任一试验数据点()i 即前后各几点，共()12+n 个连续数据点，采用如下二次多项式进行拟合求导：
2
21
221
10????
?
?
?-+???? ?
?-+=C
C N b C
C N b b a i i i
(7) 式中，112
1
+≤-≤
-C C N i ，()n i n i N N C -++=
2
11，()n i n
i N N C -+-=
2
12，n
i n i a a a +-≤≤
系数0b 、1b 、2b 是在()n i n i a a +-,区间按最小二乘法（即使裂纹长度观测值与拟
合值之间的偏差平方和最小）确定的回归参数。拟合值i a
?是对应于循环数i N 上的拟合裂纹长度。参数1C 、2C 是用于变换输入数据，以避免在确定回归参数时的数值计算困难。在i N 处的裂纹扩展速率由（7）式求导而得：
()221211?2C C N b C b dN da i a i
-+=???
?? (8)
利用对应于i N 的拟合裂纹长度i a
?计算与dN
da 值相对应的K ?。
5.3 应力强度因子范围的计算
对CT 试样，
()()()4
3
2
2
36.572.1432.1364.4886
.012α
α
α
ααα-+++-+?
?=?W B P
K
(9)
式中：W
a =α
。对于W
a
大于或等于0.2表达式有效。
对CCT 试样，
2
sec
2πα
πα
W
B
P K ?=
?
(10)
式中：()()0,0m a x
m in
m a x <=?≥-=?R P P
R P P P
W
a 2=α
。对于W
a
2小于或等于
0.95表达式有效。
5.4 数据有效性的检验
有效性试验数据应满足： 对CT 试样，
2
2
.0max 4???
?
??≥-σπK a W (11)
对CCT 试样，
2
.0max 25.12σB P a W ≥
- (12)
参考文献
[1] GB/T 6398-2000 《金属材料疲劳裂纹扩展速率试验方法》；
[2] 《结构疲劳与断裂》，傅祥炯. 西北工业大学出版社。
迷宫测试 人类从二十世纪初就开始研究迷宫（迷津）学习了。它是研究一个人只靠自己的动觉、触觉和记忆获得信息的情况下，如何学会在空间中定向。迷宫种类很多，结构方式也不一样（本迷宫难度中等），但有一个共同特征，这就是有一条从起点到终点的正确途径与从此分出的若干盲巷。被试的任务是寻找与巩固掌握这条正确途径。迷宫的学习一般可分为四个阶段：1. 一般的方位辨认，2.掌握迷宫的首段、尾段和中间的一、二部分，3.扩大可掌握的部分，直至全部掌握空间图形，4.形成机体对空间图形的自动化操作。迷宫学习与被试的智商有关，它涉及到被试的空间定向能力、思维、记忆等诸多方面。 迷宫学习量度是以达到一定标准所需尝试的次数、时间和错误数为指标的。本实验以学习遍数为自变量，所用时间和错误次数为因变量，让被试在排除视觉条件下，用小棒从迷宫起点沿凹槽移动到达终点，其间小棒每次进入盲巷并与巷末端金属片接触算一次错（机器鸣响）。学会的操作定义为连续三遍不出错。须注意的是，测试前不能让被试看到迷宫的结构，测试中主试不能给予暗示和指导。被试要运用动觉、思维、记忆等自己认为有效的方法独立完成。测试中若被试感到疲劳，可稍事休息再进行实验，以控制疲劳带来的误差。 一、实验目的 1．通过迷宫实验，了解心理实验中确定自变量和因变量的方法。 2．通过迷宫的学习行走过程，观察被测者的空间定向能力和记忆思维能力。 二、仪器与材料 迷宫测试仪 上海心仪电子科技有限公司生产 三、实验方法 1.首先将迷宫测试仪与计算机连接好，调节好挡板角度，使被试不能直接看到 图形。双击桌面“心仪心理实验平台”图标，弹出登录窗口。对首次登录者请先注册用户；对已做过实验者用已有用户名和密码登录。双击“仪器实验” 打开PsyTech-EP2009型心理实验台主界面。选中左侧实验列表中的“迷宫测试”，右边呈现实验说明。单击“进入实验”弹出“指导语”窗口。实验者单击“开始实验”按钮进行实验。屏幕呈现“请按指导语要求操作仪器”提示语。 2．指导语是： 这是一个迷宫实验，你要在排除视觉条件下（闭上眼睛或戴遮眼罩），尽快学会走迷宫，中间不要停顿，要积极运用动觉、记忆和思维，期间若触棒进入盲巷并到达盲巷终点，仪器会发出蜂鸣声，并计错一次。到达终点后仪器会长鸣一秒。当你连续三次无错走完迷宫，实验结束。弹出“实验已结束” 提示。 当你明白了操作要求后，可以让主试拿着你的手并将触棒放在开始处的
案例上海市高级人民法院审理的"中国技术进出口总公司诉瑞士工业资源公司"案 原告中国技术进出口总公司（以下简称中技公司）受浙江省温州市金属材料公司的委托，于1984年12月28日与美国旭日公司签订了一份购买9000吨钢材的合同。之后，旭日公司因无力履约，请求中技公司同意将卖方变更为瑞士工业资源公司（以下简称瑞士资源公司）。瑞士资源公司于1985年3月14日向中技公司发出电传："货物已在装船港备妥待运"，"装船日期为1985年3月31日"，并要求中技公司"将信用证开给挪威信贷银行（在卢森堡），以瑞士工业资源公司为受益人"。同年3月26日，瑞士资源公司又向原告发出电传："所供钢材可能由我们的意大利生产厂或西班牙生产厂交货"，并告知了钢材的价格、交货日期等。1985年4月1日，瑞士资源公司的法定代表人考赫授权旭日开发公司董事长孙道隆，由其代表瑞士资源公司与中技公司在原合同的基础上签订了《合同修改协议书》，约定将钢材的数量由原定的9000吨增至9180吨，价款为229.5万美元不变，瑞士资源公司应在接到信用证后两周内装船待运。 1985年4月19日，中技公司通知中国银行上海分行开出了以瑞士资源公司为受益人、金额为229.5万美元的不可撤销的信用证。信用证载明：钢材"从意大利拉斯佩扎装运至温州，最迟期限为1985年5月5日，不允许分批装运，不允许转船运输"，"受益人必须保证所发的每件货物都与合同中的约定完全一致。"随后，瑞士资源公司将全套单据通过银行提交中技公司。提单签发日期为1985年5月4日，载明装运人为瑞士资源公司，并由其在提单上背书。由瑞士资源公司开具的销货发票载明，钢材数量为9161吨，货款为2290250美元。同年6月1日，中国银行上海分行将上述货款汇付瑞士资源公司。此后，原告因未收到上述钢材，从1985年7月起连续十余次以电传、函件向瑞士资源公司催询和交涉。但瑞士资源公司拒不答复，或以种种托词进行搪塞。经原告一再催促，瑞士资源公司才于9月5日回电称："中国港口拥挤，船舶将改变航线"，"最迟抵达日期预计为1985年10月20日。"届时，原告仍未收到钢材，遂去电指责被告（瑞士资源公司）的欺诈行为，并声言要"将此事公诸于众"。被告于同年10月30日致电原告，全盘推卸自己作为合同卖方和货款受益人的责任。为此，原告遂于1986年3月24日向上海市中级人民法院提起诉讼，要求被告返还货款2290252美元，赔偿银行货款利息951032.66美元，经营损失2048033.16美元，其他费用（包括律师费、调查费、佣金费等）301928.39美元，合计5591244.21美元，并申请诉讼保全。 上海市中级人民法院受理案件后，准许了原告的诉讼保全措施，裁定冻结被告在中国银行上海分行的托收货款4408249美元，查封了上述托收项下的全套单据。后经审理查明，被告在意大利和西班牙既无钢厂，也无钢材；其向原告提交的意大利卡里奥托钢厂的钢材质量检验证书、重量证书和装箱单均系伪造的。以被告以托运人并经其背书的提单上载明的装运船"阿基罗拉"号，于1985年内并未在该提单所载明的装运港意大利拉斯佩扎停泊过，从而证明被告并未将钢材托运装船，所提交的提单也是伪造的。被告在答复原告催问的电函中所称"中国港口拥挤"和"船舶将改变航线"的情况也纯属虚构。因此，上海市中级人民法院依法作出判决：瑞士资源公司应偿还中技公司钢材货款2290250美元；并赔偿钢材货款的银行货款利息873784.58美元，经营损失1943588.25美元，国外公证和认证费、国内律师费29045.77美元，共计5136668.6美元。诉讼费13311美元，原告承担1082.18美元，被告承担12228.82美元。 瑞士资源公司不服一审判决，向上海市高级人民法院上诉称：双方签订的购销钢材合同中有仲裁条款，原审法院对本案无管辖权；原审法院裁定准许诉讼保全，冻结上诉人与本案无关的货款不当；上诉人被诉有欺诈行为并无事实依据；被上诉人在不同的法院对上诉人提出重复的诉讼不当；根据《中华人民共和国涉外经济合同法》的规定，禁止间接损失，
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。
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
齿轮疲劳点蚀的特征及相应案例分析 1 疲劳点蚀的定义及特征 点蚀又称接触疲劳磨损，是润滑良好的闭式传动的常见失效形式之一。齿轮在啮合过程中，相互接触的齿面受到周期性变化的接触应力的作用。若齿面接触应力超出材料的接触疲劳极限时，在载荷的多次重复作用下，齿面会产生细微的疲劳裂纹；封闭在裂纹中的润滑油的挤压作用使裂纹扩大，最后导致表层小片状剥落而形成麻点，这种疲劳磨损现象，齿轮传动中称为点蚀。节线靠近齿根的部位最先产生点蚀。润滑油的粘度对点蚀的扩展影响很大，点蚀将影响传动的平稳性并产生冲击、振动和噪音，引起传动失效。 点蚀又分为收敛性点蚀和扩展性点蚀。收敛性点蚀指新齿轮在短期工作后出现点蚀痕迹，继续工作后不再发展或反而消失的点蚀现象。收敛性点蚀只发生在软齿面上，一般对齿轮工作影响不大。扩展性点蚀指随着工作时间的延长而继续扩展的点蚀现象，常在软齿面轮齿经跑合后，接触应力高于接触疲劳极限时发生。硬齿面齿轮由于材料的脆性，凹坑边缘不易被碾平，而是继续碎裂成为大凹坑，所以只发生扩展性点蚀。严重的扩展性点蚀能使齿轮在很短的时间内报废[1]。 2 疲劳点蚀的实例 某重型车辆侧减速器主动齿轮发生了早期失效，失效齿轮与行星转向机相连，将全车动力传递到行动部分，是全车受载最大的齿轮，始终在大载荷、高转速、多冲击的复杂苛刻环境下工作。齿设计上采用整编为齿轮，传动比为5.9，润滑方式为油池飞溅润滑。实效齿轮材料为18Cr2Ni4W A钢。采用渗碳+淬火+低温回火热处理工艺。 失效齿轮发生严重的接触疲劳失效，使用寿命未达到规定时间。采用断口分析、金相分析、硬度测试及有限元接触应力分析等方法对齿轮进行失效分析，查找该齿轮实效的原因（由于篇幅有限以及结合自身知识面，仅列举出端口分析和金相分析两项结果）。 2.1 断口分析 通过对失效齿轮宏观观察发现．在啮合受力齿面的节线附近靠近齿根一侧，沿齿宽方向分布许多
机械性能试验室安全操作规程 (标准版) The safety operation procedure is a very detailed operation description of the work content in the form of work flow, and each action is described in words. ( 安全管理 ) 单位：______________________ 姓名：______________________ 日期：______________________ 编号：AQ-SN-0764
机械性能试验室安全操作规程(标准版) 1．设备使用前应检查其性能及润滑是否良好。当确认各机件无裂纹，电器装置正常，机座牢固，保护接零(地)线完好后，方可开动。 2．使用时应严格遵守各试验机的安全操作规程。 3．试验机上不准放置工具、试样等物品。 4．脆性材料的硬度，弯曲、压缩及疲劳试验须加防护装置。 5．高温拉伸或其它升温试验，需要电炉加热时，应检查电炉的电阻丝是否完好，设备接地及联锁装置是否可靠。装卸试样时必须断电，必要时应戴上石棉手套。易燃易爆物品必须远离电炉，室内应备有灭火器材。 6．设备发生电气故障，应立即切断电源，通知电工修理。 7．试验设备不准超过额定负荷运行。工作时精力要集中，不得
离开工作岗作，如需要离开，应停机或向代管人作交待。 8．进行试验时必须注意： (1)根据试样形状，规格及性能，选择好测量范围、夹具，加相应的砝码及安装必要的附件； (2)试验开始，先作几次瞬时启动(开、停)，以便于润滑和检查试验机运转部件的状况； (3)工作完毕后，将一切运转机件调回到原始位置，关闭油阀、电源； (4)人体应避开试样冲击方向。 9．试验机每年由计量部门校验一次。每季度用测力计自行校验一次。测力计每年校验一次。各种试验机械应装置牢固。每班应检查一次。 ——摘自《机械工人安全技术操作规程》 XXX图文设计 本文档文字均可以自由修改
北京理工大学珠海学院-工程材料及热处理实验 工程材料及热处理实验指导书 北京理工大学珠海学院机械与车辆学院 2012.10
实验一金属材料的硬度实验 一、实验目的 1、了解硬度测定的基本原理及应用范围。 2、了解布氏、洛氏硬度实验机的主要结构及操作方法。 二、概述 金属的硬度可以认为是金属材料表面在接触应力作用下抵抗塑性变形的一种能力。硬度测量能够给出金属材料软硬程度的数量概念。硬度值越高，表明金属抵抗塑性变形的能力越大，材料产生塑性变形就越困难。另外硬度与其他机械性能（如强度指标σ b及塑性指标ψ和δ）之间有着一定的内在联系。所以从某种意义上说硬度的大小对于机械零件或工具的使用性能及寿命具有决定性意义。 测量硬度的方法很多，在机械工业中广泛采用压入法来测定硬度，压入法又分为布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度等。 压入法硬度试验的主要特点是： ①实验时应力状态最软，（即最大切应力远远大于最大正应力）因而不论是塑性材料还是脆性材料均能发生塑性变形。 ②金属的硬度与强度指标之间存在如下近似关系： σ b=K*HB 式中：σ b ——材料的抗拉强度值；HB——布氏硬度值K——系数 退火状态的碳钢K＝0.34~0.36 合金调质钢K＝0.33~0.35 有色金属合金K＝0.33~0.53 ③硬度值对材料的耐磨性、疲劳强度等性能也有一定的参考价值，通常硬度值高，这些性能也就好。在机械零件设计图纸上对机械性能的技术要求，往往只标注硬度值，其原因就在于此。 ④硬度测量后由于仅在金属表面局部体积内产生很小压痕，并不损坏零件，因而适合 于成品检验。 ⑤设备简单，操作迅速方便。 三、布氏硬度 （一）布氏硬度试验的基本原理 布氏硬度试验是施加一定大小的载荷P，将直径为D的钢球压入被测金属表面（如图1-1所示）保持一定时间，然后卸除载荷，根据钢球在金属表面上所压出的凹痕面积F凹求
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 （美国内华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范围上的一个功能。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Paris公式的修
钢丝绳弯曲疲劳试验作业指导书 进行钢丝绳弯曲疲劳试验检测必须以GB/T12347-2008等现行有效标准及相关标准和现行有效的《煤矿安全规程》等为依据。 1、接样： 1.1办公室负责对客户新近批量订购到货的钢丝绳接受委托检验。 1.2接样时请客户出具出厂证明书、订货合同、提货单等资料、并填写 本中心/站申请书。 2、试样要求 2.1 试样应从外观检查合格的钢丝绳上截取。 2.2钢丝绳直径20~26.5mm的试样最小长度为2倍轮距+圆周长=12.5m, 钢丝绳直径26.5~32.5mm的试样最小长度为15.5m，若为绳卡固定， 还要加上卡绳段长度。由于需要留备样长度，20~26.5mm的试样长 度需26m, 直径为26.5~32.5mm的试样长度需32m。 2.3 试样两端在截取之前应用软金属丝或专用夹头固紧。 3、备样 3.1 对客户的钢丝绳送检、报验样品进行登记、编号、标识。 3.2对钢丝绳进行外观检查，新绳要注意压痕、跳丝、松散、露麻等主要 缺陷，旧绳要注意磨损、断丝、锈蚀、绳芯干硬糟烂等主要情况，并 记录在案。 3.3依据钢丝绳直径和标准中的规定截取钢丝绳长度，直径为20-26.5mm 的钢丝绳截取13m，直径为26.5-32.5mm的钢丝绳截取16m。 3.4对剩余样的剩余部分在编号、标识后存贮保管，期限为检验检测周期。 3.5 实验前，应用沾有煤油或其他溶剂的棉纱将试样表面的油污擦掉,但 允许钢丝绳股间存在少量油脂。 4、试验机 4.1钢丝绳弯曲疲劳试验是钢丝绳试样以一定的包角绕过试验轮，并对其 施加张力，以一定的频率反复弯曲，考核钢丝绳承受弯曲疲劳的性能。 4.2根据最新《钢丝绳弯曲疲劳试验方法》进行钢丝绳弯曲疲劳检测。 4.3选用的弯曲疲劳试验机应该是“绿色”标识且在检定周期内的试验机。
用现有疲劳试验数据确定疲劳裂纹扩展率 收录：《中国造船》 - 2003年,03期 作者：周驰 关键词：船舶 疲劳寿命的预报在船舶与海洋工程领域中相当重要,但其关键问题是要找到一种较科学的疲劳寿命预报方法.最近,本文第二作者提出了一种海洋结构物疲劳寿 命预报的统一方法.该方法是基于疲劳裂纹扩展理论而发展起来的,在其九个参 数模型的假设之下,能够较好地解释一些其它方法所不能解释的现象.采用该方 法的主要障碍在于需要确定疲劳裂纹扩展率.作者通过对不同的疲劳裂纹扩展率的比较研究,并推广McFvily模型后,提出了一个具有较宽适用范围的九个参数 疲劳裂纹扩展率模型(从门槛域一直到不稳定断裂域).本文的主要目的是解决如何根据一些现有的疲劳试验数据来确定这九个模型参数的问题.文中给出了通过实验数据确定裂纹扩展率模型中各个参数的方法,并进行了模型参数的灵敏度分析.通过对文献中一些试验数据的收集,给出了几种常用金属材料的裂纹扩展率 模型参数. Determination of Fatigue Crack Growth Rate Using Existing Data 正在加载... 确定疲劳裂纹扩展理论门槛值的方法 Methods of Determination of Fatigue Crack Growth Theoretical Threshold 疲劳裂纹扩展 疲劳裂纹扩展理论门槛值ΔKthT的方法,特别对利用疲劳裂纹扩展速率表达式、根据da/dN～ΔK试验数据外推确定ΔKthT的三种方法作了较为详细的介绍,并用四套试验数据进行评估,结果显示,如果所采用的表达式能够正确反映近
操作规程编号：LX-FS-A79131 机械性能试验安全技术操作规程标 准范本 In The Daily Work Environment, The Operation Standards Are Restricted, And Relevant Personnel Are Required To Abide By The Corresponding Procedures And Codes Of Conduct, So That The Overall Behavior Can Reach The Specified Standards 编写：_________________________ 审批：_________________________ 时间：________年_____月_____日 A4打印/ 新修订/ 完整/ 内容可编辑
机械性能试验安全技术操作规程标 准范本 使用说明：本操作规程资料适用于日常工作环境中对既定操作标准、规范进行约束，并要求相关人员共同遵守对应的办事规程与行动准则，使整体行为或活动达到或超越规定的标准。资料内容可按真实状况进行条款调整，套用时请仔细阅读。 1 工作前应穿戴好必要的防护用品，必须熟悉所使用设备、工具的性能、原理和操作方法。 2 设备使用前应检查其性能、润滑是否正常，电气装置和防护装置必须良好、可靠，否则不准开动。 3 使用试验设备应严格遵守各试验机安全操作规程。 4 试验机上不准放置工具、试样等物品。 5 脆性材料的硬度、弯曲、压缩及疲劳试验须加设防护装置，
6 高温拉伸或其他升温试验，需电炉加热时，应控制电流均匀上升。在装卸试样时，必须断电，必要时要戴石棉手套装卸。易燃易爆物品必须远离电炉，室内应有灭火器材。 7 室内配电柜应有专人管理。设备发生故障应立即停电，通知电工检查修理。 8 试验设备不准超过额定负荷运行。工作时，精力要集中不得擅自离开工作岗位。 9 进行试验时必须注意： a．根据试样形状、规格及性能，选择好测量范围、夹具，加相应砝码及安装必要的附件； b．试验开始应先做几次瞬时启动(开、停)，便于润滑和检查试验机运转部位状况； c．工作完毕，将一切运转机件调整到原始位置，关闭油阀和电源。
工程材料失效分析 姓名：丁静 学号：2
案例一乙烯裂解炉炉管破裂原因分析某石化公司化工一厂裂解车间CBL一Ⅲ型乙烯裂解炉于1998年9月投入运行，1 999年4月检查发现一根裂解炉管发生泄漏。为查明炉管泄漏原因，对失效炉管进行了综合分析。CBL一Ⅲ型乙烯裂解炉炉管工作温度为1050～llOO℃，材质化学成分（质量分数）为0.35~0.60%C;1.0%~2.0%Si;1.O%~1.50%Mn;33%~38%Ni;23%~28%Cr 及微量Nb.Ti.Zr等。宏观观察失效炉管表面可以看出，泄漏部位炉管内、外壁均有两个孔坑，两个孔坑在内、外表面相互对应，孔坑边缘金属略有凸起，呈火山口状。仔细观察发现，在内壁两个孔坑附近表面有一约3 mm xl mm凸棱，凸棱略高于附近炉管表面（图11-1、图11-2）。
化学成分分析结果表明，失效炉管化学成分符合厂家技术要求。金相检查结果表明，失效炉管显微组织基体为奥氏体，晶界分布有骨架状碳化物，晶内和晶界分布有一定数量的颗粒状碳化物（图11-3）。 能谱分析结果表明，这些颗粒状碳化物为Nb.Zr.Ti或Cr的
碳化物。晶界分布的骨架状碳化物系以铬为主的碳化物。首先，采用扫描电镜观察了泄漏部位炉管内、外表面的放大形貌，观察发现，所有孔坑均存在白亮色块状物。通常，不导电的非金属氧化物或金属氧化物在电子束作用下因积累电荷而呈白亮色。能谱分析结果表明，白亮色块状物含有很高的稀土铈。分析认为，白亮色块状物为稀土氧化物。在泄漏部位，分别在内壁凸棱和孔坑两处，垂直于内表面制备了炉管横截面金相试样。可以看出，不论是凸棱对应部位，还是炉管内、外表面两个孔坑之间，炉管横截面均分布有宏观深灰色金属夹杂物，夹杂物在内、外表面两个孔坑之间连续贯通（图11-4）。 在扫描电镜下进一步观察、分析结果表明，两个横截面深灰色区域同样是稀土铈的氧化物（图11-5）。采用微型拉伸试样，对失效炉管进行了1100℃短时高温拉伸试验，其结果如表11-1所示。可以看出，失效炉管1100℃高温短时拉伸性能低于厂家相关技术要求。
案例分析 一、教学设计思路 金属材料是与我们的生活密切联系的教学内容，本课题围绕学生熟悉的生活用品开展学习，通过学生分组实验、讨论、归纳总结得出金属的一些共同的物理性质和各自的特性，通过阅读课文了解常见金属与合金的主要成分性能和用途，让学生体会到化学就在我们的生活中，增强学生发现生活、感受生活的意识，从而实现“教学生活化”的教学理念。教学过程围绕课程目标的三个维度（知识与技能、过程与方法、情感态度与价值观），注意培养学生从化学视角观察生活的习惯，教会学会将化学知识应用于生活实践的方法，使他们能对化学有关的生活问题做出合理的解释，感受学习化学的乐趣，体会学习化学的价值。 二、教案 课题1 金属材料 教学目标 知识技能：使学生了解金属的物理性质，了解常见合金的成分性能和用途。 能力培养：通过情景设置，使学生具有较强的问题意识，能够发现和提出有探究价值的化学问题。通过学生动手实验，培养学生的实验能力和分析问题的能力。 科学品质：通过实验激发学生学习化学的兴趣，培养学生实事求是的科学态度。培养学生将化学知识应用于生活实践的意识，能够对与化学有关的社会问题和生活问题做出合理的解释。
科学方法：指导学生用实验的方法认识事物的性质，培养学生科学的认知方法。 美育渗透：从生活中的金属制品，感受其丰富多彩的形状、颜色美。重点 1、金属材料的物理性质 2、物质性质与用途的关系 难点 1、培养学生运用探究方法得出相关结论的能力 2、提高学生综合分析问题的能力 教学方法 采用实验探究法：按照问题—实验—观察—分析—结论的程序实行探究式讨论教学。 仪器、药品 铁片、铜片、铝片、干电池、小灯泡、导线、酒精灯、火柴、砂纸、黄铜、铜，与钛有关的资料和新型的合金的资料。 教师活动学生活动设计意图引导学生通过看录相、上网查资料等了解人类发现金属、认识金属、使用金属的历史，利用学生的生活背景，让学生说出日常生活中接触到的金属制品。在教师指导下观看录像、有目的的查阅资料，展示他们收集到的金属制品，如：铜钱、硬币、纪念章等。设置背景，让学生从生活走进化学，突出化学与社会的密切联系。让学生分组实验，实验过程中指导学生观察实验现象。学生分别取出铁丝、铜丝、铝丝。①观察它们的
一. 《金属材料疲劳裂纹扩展速率实验》 实验指导书 飞机结构强度实验室 2007年3月
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 ?
材料力学性能实验指导书 （金属材料工程专业） 张学萍刘志远 沈阳理工大学 二零一二年三月
目录 实验一硬度实验......................................................................... (3) 实验二材料力学性能综合实验 (17)
前言 《材料力学性能》这门课的实验是该课的重要组成部分，是该理论课的基础，正确地掌握实验的理论和方法，对提高学生的动手能力、分析问题和解决问题的能力有重要意义。 编写本实验指导书，是根据《材料力学性能》教学大纲及教材的有关内容、又根据我院设备、仪器实际情况编写的，这样，与教材的内容相一致，便于安排实验教学。本实验指导书将部分单项实验改为综合实验，材料力学性能综合实验不仅使学生建立完整的知识体系，还能有效地提高学生的整体思维能力和总结概括能力。 本实验指导书适用于：材料成型及控制工程专业 编者 2012年3月
实验一硬度实验 一.实验目的 1.掌握洛氏、布氏硬度的基本原理及测试方法。 2.根据材料的性质正确选择硬度计类型及压入条件。 3.熟悉各种硬度值之间的换算。 二、实验内容 用洛氏硬度计测定试样热处理前后的硬度；用布氏硬度计测定45刚退火后的硬度；观察维氏硬度计的操作方法（选做）。 三、概述 硬度试验操作简便，对工件损伤小，可在零件上直接测试，故在生产实践中应用很普遍。 硬度所表征的不是一个确定的物理量，它是衡量材料软硬程度的一种性能指标。硬度值的意义随试验方法而不同。硬度试验基本上可分为压入法和刻划法。对于以压入法进行的硬度试验，其硬度值是表示材料抵抗另一物体压入其表面的能力，洛氏、布氏和维氏硬度都属于压入法硬度试验。 （一）洛氏硬度试验法。 1.洛氏硬度是以压痕的深度来表示 材料的硬度值。图1-1为洛氏硬度试验 原理图。 测试洛氏硬度时，用规定的压头， 先后施加两个负荷：预负荷F0和主负 荷F1。总负荷F= F0+F1。图1-1中， 0-0位置为未加负荷时的压头位置；l-l 位置为施加10kg预负荷后的位置，压 入深度为h1；2-2位置为加上主负荷后 的位置，此时压入深度为h2；3-3位置图1-1 洛氏硬度试验原理 为卸除主负荷后由于弹性变形的恢复而 使压头略微提高的位置，此时压头的实际压入深度为h3。由主负荷引起的残余压入深
金属热处理缺陷分析及 案例 Document serial number【KKGB-LBS98YT-BS8CB-BSUT-BST108】
<<金属热处理缺陷分析及案例>>试题 一、填空题 1、热处理缺陷产生的原因是多方面的，概括起来可分为热处理前、热处理中、热处理后三个方面的原因。 2、热处理缺陷分析方法有：断口分析、化学分析、金相检验、力学性能试验、验证试验、综合分析。 3、断裂可分为两种类型：脆性断裂和韧性断裂。 4、金属断裂的理论研究表明：任何应力状态都可以用切应力和正应力表示，这两种应力对变形和断裂起着不同的作用，只有切应力才可以引起金属发生塑性变形，而正应力只影响断裂的发展过程。 5、热处理变形常用的校正方法可分为机械校正法和热处理校正法。 6、热应力是指由表层与心部的温度差引起的胀缩不均匀而产生的内应力。 7、工程上常用的表面淬火方法主要有高频感应加热淬火和火焰淬火两种。 8、热处理中质量控制的关键是控制加热质量和冷却质量。 9、过热组织晶粒粗大的主要特征是奥氏体晶粒度在3级以下。 10、真空热处理常见缺陷有表面合金元素贫化、表面不光亮和氧化色、表面增碳或增氮、粘连、淬火硬度不足、表面晶粒长大。 11、低温回火温度范围是（150－250）℃，中温回火温度范围是（350－500）℃，高温回火温度范围是（500－6 50）℃。
12、工件的形状愈不对称，或冷却的不均匀性愈大，淬火后的变形也愈明显。 13、马氏体片越长，撞击能量越高，显微裂纹密度会越大，撞击应力会越大，显微裂纹的数目和长度也会增加。 14、合金元素通过对淬透性的影响，从而影响到淬裂倾向，一般来说，淬透性增加，淬裂性会增加。合金元素对M S的影响较大，一般来说，M S越低的钢，淬裂倾向越大。 15、一般来说，形状简单的工件，可采用上限加热温度，形状复杂、易淬裂的工件，则应采用下限加热温度。 16、对于低碳钢制工件，若正常加热温度淬火后内孔收缩，为了减小收缩，要降低淬火加热温度；对于中碳合金钢制的工件，若正常加热温度淬火后内孔胀大，为了减小孔腔的胀大，需降低淬火加热温度。 17、工件的热处理变形分为尺寸变化和形状畸变两种形式。 二、单项选择题 1、淬火裂纹通常分为 A 四种。 A、纵向裂纹、横向裂纹、网状裂纹、剥离裂纹 B、纵向裂纹、横向裂纹、剥离裂纹、显微裂纹 C、纵向裂纹、横向裂纹、网状裂纹、表面裂纹 D、纵向裂纹、横向裂纹、剥离裂纹、应力集中裂纹 2、第一类回火脆性通常发生在淬火马氏体于 B 回火温度区间，这类回火脆性在碳钢和合金钢中均会出现，它与回火后的冷却速度无关。 A、（200－300）℃ B、（200－400）℃
金属零件失效分析及实例 一、轴的失效分析 1．1 轴的失效类型 轴是用来支承旋转，并传递动力和运动的部件。轴可以承受各种类型的载荷，如拉伸、压缩、弯曲或扭转及各种复合载荷。有时还承受振动应力。在这些载荷作用下，使轴失效的最常见的类型是轴的疲劳断裂。疲劳破坏起始于局部应力最高的部位，有些机械由于设计、制造、装配和使用不合理，也造成轴过早地发生疲劳断裂。 轴的疲劳通常可分为3种基本类型：弯曲疲劳、扭转疲劳和轴向疲劳。弯曲疲劳可由下面几种类型的弯曲载荷造成：单向的、交变的和旋转的。在单向弯曲时，任一点的应力都是变动的，变动应力只改变大小而不改变方向。在交变弯曲和旋转弯曲时，任意一点的应力都是交变的，即应力在方向相反的应力之间循环变化。扭转疲劳常因施加变动或交变的扭转力矩产生。轴向疲劳则由于施加交变或变动的拉伸—压缩载荷的结果。 承受了变应力的轴，由于机械的或冶金的因素，或两者综合的结果导致轴的疲劳断裂。机械影响因素包括了小圆角、尖角、凹槽、键槽、刻痕及紧配合处。冶金影响因素包括了淬火裂纹、腐蚀凹坑、粗大的金属夹杂物及焊接缺陷等。疲劳破坏占失效轴的50％以上。 在低温环境中或是在冲击及快速施加过载时，将会使轴发生脆性断裂。脆性断裂的特征是裂纹以极高的扩展速度(大约1800m/s或更大)发生突然断裂，而在断裂源处只有小的变形迹象。这种类型的断裂特征是断裂表面上存在着鱼骨状或人字形花样的标志，人字形的顶点指向断裂源。 一些表面处理能使氢溶解入高强度钢中，使轴脆化而断裂，例如，电镀金属会引起高强度钢的失效。 轴的韧性断裂(显微空穴聚合的结果)在断裂表面上呈现有塑性变形的迹象，类似在普通拉伸试验或扭转试验试样中所观察到的情况。对拉伸断裂的轴这种变形，用目视检验是容易见到的，但是，当轴扭转断裂时，则变形是不明显的。在正常工作条件下轴很少发生韧性断裂。但是，如果对工作要求条件估计过低，或者所用材料强度达不到预定数值，或者轴受到单一过负载，也可能发生韧性断裂。在通常情况下，材料的韧性随下列条件而降低：(1)以冷作加工或热处理提高金属的强度；(2)缺口敏感材料中存在缺口、圆角、孔洞、刮伤、夹杂物和疏松；(3)增加加载速度；(4)对于许多合金降低环境温度。 某些高温下工作的轴，在工作载荷远小于金属屈服强度的条件下，金属材料在高温及
汽车钢板弹簧疲劳试验规程研究 邹辅平 （运城市空港开发区鼎森机械制造有限公司） 就目前而言，在中国的汽车钢板弹簧行业，对钢板弹簧的使用寿命性能指 标的衡量，都是采用台架疲劳试验机来进行来进行检测的，其唯一参考的国家 标准是《GB/T 19844-2005》钢板弹簧。这个标准里面疲劳试验的规范要求很 粗放，而实际上，对于不同的试验者由于对标准的理解不同，会存在试验规程 上的差异，还有试验设备的不同，都会对试验结果带来误差，其最终结果是： 对同一产品的评价，会产生不同的结果！ 为了施行统一的钢板弹簧疲劳寿命检验标准，就应从如下几个方面进行分 析，统一思想，形成规范，以确保对钢板弹簧产品疲劳寿命的准确评价。 一、《GB/T 19844-2005》钢板弹簧标准中的误区和盲点 在4.6 条中对疲劳寿命技术指标的描述中写到“在应力幅为 323.62Mpa(3300kgf/cm 2) 、最大应力为833.5Mpa（8500kgf/cm 2）的试验条件下，钢板弹簧的疲劳寿命应不小于8 万次”在这个表述中对试验条件一带而 过，为此，该标准就增加了一个“附录A（规范性附录）汽车用钢板弹簧台架试验方法”。即便如此，该标准对钢板弹簧的试验规范的规定仍然存在如下忙 点： 1、在计算钢板弹簧的比应力时，如何规范弹性模量E的取值？对于双槽钢材料截面而言，如何计算根部断面系数和惯性矩？由于大家的理解和认识的不 同，计算出来的比应力值就会有差异，最后所得到的预加变形量和振幅就会不 同，试验结果就会出现差异。 2、试验脉动频率未做规定，这显然会带来试验频率越高，试验结果越差， 反之，频率越低，疲劳寿命就会越长，其结果是不能够真实的反映客观实际。 3、原标准中仅仅只对产品的试验温升不能超过150℃做出了规定，而没有对如何统一降温措施和方法做出规定，就会使得150℃这个参数形同虚设，因
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