[科普中国]-疲劳裂纹预制

在做断裂试验之前，通常先在试件上预制疲劳裂纹。这是断裂试验的关键而又比较困难的技术问题之一。

疲劳裂纹疲劳断裂是指在交变应力作用下以疲劳辉纹为标志的断裂。

条件: 超出材料的疲劳极限。

疲劳极限：在一定条件下（1）纯弯曲；（2）完全对称循环；（3）应力幅恒定；（4）频率在3000-10000次/分；小试样有足够大的过渡圆角，表面经过抛光；由实验中得出的，在10的七次方周次下仍不断裂的最大应力

疲劳断裂在所有金属构件断裂中占主要地位。有人曾作过统计，在所有实物损疲劳断裂的比例高达90%

疲劳裂纹预制的方式裂纹机设计首先要选择预制裂纹疲劳循环的控制方式。预制疲劳裂纹，可以采用载荷控制，也可采用位移控制1。载荷控制就是通过不断增加载荷使其试件产生裂纹；位移控制则不断增加机具来使试件产生裂纹。

疲劳裂纹预制实验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 ≥0.05 a 与 af ≥1.3mm中选较大值为疲劳裂纹长度2。

试样形状和尺寸试件形状

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2所示2。

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B 、a 、W均要大于

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 , 为屈服极限 ，或名义屈服极限 。因为材料的 或 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>4.1 W。

本词条内容贡献者为:

尚华娟 - 副教授 - 上海财经大学