外文翻譯-基于疲勞失效兩個階段和不同測試的金屬強度特性

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XX 大學畢業(yè)設計文獻翻譯與原文題目： 基于疲勞失效兩個階段和不同測試的金屬強度特性 學 院： 測試與光電工程學院專業(yè)名稱： 測控技術與儀器班級學號： 學生姓名： 指導教師： 二 Oxx 年 三 月 基于疲勞失效兩個階段和不同測試的金屬強度特性(1 - 5)所示,當疲勞破壞過程分為兩個階段時,它是能給出一個更加完整的特性關于金屬的強度特性被用于機械部件的制作以及支持元素的結構。隨機超載發(fā)生在金屬組件頻繁地變量加載的操作過程中，宏觀疲勞裂紋的存在(甚至是極小的裂紋)，都將導致嚴重的錯位和故障。因此有必要來計算強度以確定耐久性和金屬在失效的最后階段以及宏觀疲勞裂紋形成階段強度的限制。為了闡明周期和載荷對結構金屬疲勞特性的影響，此時假設疲勞失效過程分為兩個階段，被測試的矩形截面測試塊材質(zhì)為 45 號鋼、材質(zhì) ST3KP 鋼以及AV 型鋁合金，再用圓形截面半徑為 6 的高強度球墨鑄鐵制作成測試塊一起進行實驗獲取數(shù)據(jù)。這些材料的力學性能如表 1 所示。為了研究疲勞斷裂與完整尺寸而非圓形截面的關系，使用的矩形測試塊被切割成寬度 b 為 24 毫米 ,高度 h 為 90 毫米。與端面夾持處之間的距離 L 為700 毫米（圖 1）。選擇金屬進行靜態(tài)測試的一部分是對五種不同的連接方式得到的 45 號鋼加載軸向拉力（dH = 10mm，L 工作= 5 dH,板塊沿軋制方向的截面為25x100 mm）。得到的結果顯示,金屬的硬度發(fā)生變化時，金屬的強度和塑性特性也發(fā)生明顯的變化。(圖 2)。圖 1.試塊的草圖表 1、材料的力學性能研究圖 2.截面為 25*100mm 的 5 種不同刻槽深度的力學性能中的表面硬度 HB 的值。用于疲勞測試測試塊是刻槽深度為 142mm 和 145mm 的金屬牌，它們是靜態(tài)測試數(shù)據(jù)（見表 2）結果為不同條件下的硬度值（HB=187kgf/m㎡和HB=217kgf/m㎡）測試塊截面的中間部分為圓形。此項測試實驗是用不對稱系數(shù) 的 2DM-Pu-110t 液壓脈沖機進行，它的加載頻率為 300 轉/分鐘，并以最大強度不斷對測試塊進行彎曲實驗。未經(jīng)實驗的測試塊（黑色標記）表面是由 45 號鋼（圖 1b）4x30 的薄片以及ST3KP 鋼（圖 1c）組成，厚度均為 11.7mm.表 2.測試塊在不同測試條件下的失效強度（或強度極限）的材料研究中的平均值、標準差和偏差系數(shù)。AV 型鋁合金（見表 1）測試塊的外形、尺寸都經(jīng)統(tǒng)一剪裁，表面光滑，ST3KP 鋼的測試塊也應該保持一致，不同的是 ST3KP 鋼測試塊的高度 h 為 3mm并且切成半徑 r 為 0.5mm.后者的應力集中的特點更加貼近工件的預期。高 11.7mm 的測試塊在 MUK-100 機型中進行測試，而 3-4mm 高的測試塊用MUP-150 機型并保證位移和振幅不變僅進行彎曲的對稱循環(huán)，它的加載頻率為1500 轉/分鐘。彎曲的時刻有彈性測力計來決定。直接監(jiān)測測試塊截面處壓力的矩形盒子裝滿了線電阻發(fā)射器以及一個電子拉壓計，用于獲取當壓力正負周期變換時壓力的平均值。宏觀疲勞裂紋的萌生和發(fā)展用 20 倍放大鏡進行觀察。測試塊中鋼的大規(guī)模測試進行了 次。光滑的 AV 鋁合金測試塊使用對稱周期進行了測試， 次，而經(jīng)挖空的測試塊使用非對稱加載測試周期 和一個平均應力常數(shù) =5.0 。圖 3,45 號鋼測試塊在不同的測試條件下失效強度（或強度極限）振幅的分布函數(shù)。(實線代表長度為 0.1 - -0.5 毫米宏觀裂紋的形成階段,虛線代表最終材料失效階段;鏈狀的點代表一條近似線)。我們繪制金屬的疲勞曲線來得出失效概率參數(shù)，正如最初的疲勞曲線繪制是由普通的方法并選擇他們的壓力水平進行大規(guī)模測試。我們根據(jù)獲得的疲勞曲線的斜率來選定對測試塊進行實驗的 5 到 7 個壓力水平，每種類型測試塊都進行實驗，每個壓力水平選取 10 到 25 個測試塊參與實驗。測試結果的分析方法在[8]中給出。P – n 坐標圖描述了整個過程，疲勞曲線對應的坐標 大致等同于宏觀裂紋形成的長度 0.1 - -0.5mm 或大致等效為最終失效的2、5、10、20、30、50、70、90、95 和 98%。不同的測試條件下繪制的失效概 坐標圖被用來描述失效強度（或強度極限）。這些函數(shù)的組合圖是在正態(tài)概率紙上改建的。例如圖 3 是 45 號鋼刻槽深度為 142mm 測試塊類型的圖表,圖 3 b 是 45 號鋼刻槽深度為 145mm 測試塊類型的圖表。研究中其他所有金屬參考它們的平均失效壓力 以及它們被發(fā)現(xiàn)的標準偏差 也能繪制類似的曲線。根據(jù)[9]給出的我們可以知道平均值 由對應的分位數(shù) 確定而標準偏差 不同，它的壓力在分位數(shù) Up+5 = 6 和 Up+ 5 = 5 之間。我們發(fā)現(xiàn)了失效的壓力系數(shù)變化的表達式。表 3。在不同實驗條件下，減小相關強度極限，對宏觀裂紋形成階段和最終破壞階段所得的數(shù)據(jù)進行百分比的比較。圖 4。在測試塊的研究中 和 的關系:a)45 號圓鋼;b)表面未加工 (黑色):c)AV 鋁合金;e)高強度鑄鐵(實線表示對測試塊單邊彎曲, 實線表示對測試塊單邊旋轉)s1)強度限制。圖 5。關系圖:1) 和 ;和 b) 45 號鋼矩形剖面刻槽深度 142mm 測試塊:b = 7 毫米 ;h = 90 毫米;L =500 毫米 , ;r = 120 毫米; 。失效壓力(或強度極限)的離散特性如表 2 所示,而獲得的相關數(shù)據(jù)方法是依照比例減小加載強度, 在各種測試條件形成的長為 0.1 -0.5 毫米的宏觀裂紋形成階段和最終失效階段的壓力值以及失效概率如表 3 所示。疲勞曲線的繪制參考以下三點，絕對壓力值以及周期的數(shù)量，并且宏觀裂紋萌生階段周期數(shù)的平均值與最終失效階段周期數(shù)的平均值之比(無量綱)與相應壓力水平 (或過載 )依照[9]中的數(shù)據(jù)可以得到如下等式: （1）式中 是設定的壓力值， 是對稱周期加載下強度極限的平均值。非對稱周期加載情況如右手邊的等式（1）所示，相應的壓力水平借助壓力振幅比表示，式中 表示設定的壓力振幅， 表示到達強度極限時振幅的平均值。依據(jù)等式(1)我們可以估算出金屬在宏觀疲勞裂紋萌生階段的壽命，這不僅關系到實驗過程中的壓力水平，同時取決于測試塊整個反應截面處宏觀疲勞裂紋由最初的 0.1-0.5 毫米發(fā)展到最終失效的那部分時間。由圖 4 可以看出，此項研究的所有金屬的 都有等式(1)這樣的關系，同時可以得出高強度鑄鐵的最大失效加載面積:（2）表 4。宏觀裂紋臨界長度 和區(qū)域 的離散特性，斷裂應力振幅 以及尺寸為 24 x 90 x 700 毫米刻槽深度 145mm 的 45 號鋼測試塊應力強度因子 K c (s.1 表示強度極限)。從圖 4 可以得出結論,使用同樣的壓力水平相同周期對測試塊進行實驗，未經(jīng)過加工的完整測試塊相比有刻槽深度為 142mm 的測試塊的宏觀疲勞裂紋發(fā)展得更快壽命更短，刻槽深度為 145mmm 的測試塊也有類似結論。這也就關系到相同金屬材料不同刻槽深度的測試看失效的不同特性(如下所示)。運用方程(1)，說明 比率相同的情況下，光滑的帶不平整刻痕的 45 號鋼測試塊 (見圖 4 b)相比帶圓形刻痕的 45 號鋼測試塊在刻槽深度均為 145mm，觀察到處于工作周期內(nèi)（最終失效前）前者宏觀裂紋的發(fā)展更為迅速。但相比一個表面光滑的未經(jīng)加工的材質(zhì) ST3KP 鋼（h=4mm）測試塊與一個同樣是表面光滑未進行加工的 45 號鋼測試塊，相同壓力水平并且不斷增大壓力的情況下， 觀察到處于工作周期內(nèi)（最終失效前）宏觀裂紋的發(fā)展比圓形測試塊更為迅速。運用方程(1)，有表面光滑且經(jīng)剪裁（ ）的 AV 合金（見圖 4c）測試塊，當物質(zhì)的性質(zhì)改變時，曲線以及宏觀裂紋萌生（長 0.1-0.5mm）到最終貫穿測試塊的整個反應截面的失效過程都發(fā)生變化。例如,對處于使用壽命周期內(nèi)但是帶有宏觀裂紋的測試塊使其處于一定的壓力水平，它的裂紋增加量不到 10%，而一個經(jīng)過剪裁的測試塊同樣實驗條件下卻達到了 48%。對于 的物質(zhì)，它們對應的值分別為 19%和 76%，而 的物質(zhì)，它們對應的值分別為 43%和 88%.方程(1)繪制的圓形截面(見 Fig. ld-f)高強度鑄鐵測試塊的橫斷面直徑范圍為 8 dH 45 毫米,應力集中系數(shù)范圍為 ，見圖 4 d。很明顯,隨著集中應力水平增加直徑 dH = 8 毫米且比率 的測試塊在早期階段測試中宏觀疲勞裂紋就開始萌生。表 5。24 x 90 x 700mm 的 45 號鋼測試塊(刻槽深度為 142mm)在不同的壓力水平作用下疲勞失效兩個階段的使用壽命。在這種情況下, 這種帶有宏觀裂紋的測試塊的工作時間(使用周期內(nèi))也是在相應增加。測試塊的絕對大小增加它的使用壽命也增加。最早發(fā)現(xiàn)宏觀疲勞裂紋是觀察懸臂的彎曲和旋轉，光滑測試塊( = 8mm, r = 30 mm, = 1.0) 最初的宏觀裂紋長度為 0.1 - 0.5 毫米,被發(fā)現(xiàn)當?shù)竭_使用壽命的 21%時相對壓力水平為 = 1.1，當處于整個使用壽命的 8.5%時相對壓力水平為 = 1.4。對于這些相同大小的圓形截面高強度鑄鐵，由圖 4 e 可以得出等式(2)?？梢钥闯?增大最大應力它們性質(zhì)的改變體現(xiàn)在不同大小的并帶有宏觀疲勞裂紋測試塊的使用壽命(循環(huán)周期) 增大。圖 5 可由方程式 (1)和(2)得出，利用尺寸為 7 x 90 x 500mm 的 45 號鋼(刻槽深度為 142mm)測試塊在應力范圍 1 7.3 和相對應力幅度范圍為1.0 2.0，依據(jù)之前陳訴的對 24 x 90 x 700 毫米測試塊實驗的正常方法來獲取數(shù)據(jù)結果并繪制圖形?？梢钥闯觯瑤в泻暧^疲勞裂紋的鋼在操作過程中等式（1）或性質(zhì)發(fā)生變化與圓截面高強度鑄鐵測試塊的變化(見圖 4 d)是一樣的，它的使用壽命（工作周期）都會增加。等式 (2)在圖 4e 和圖 5 b所示的關系顯示, 兩種相同類型的金屬的變化表明作為應集中力和最大壓力水平的函數(shù)比率 可能會大幅減小。例如高強度鑄鐵的 = 2.4 時，比率降低到 0.4,而對于 45 號鋼，當 = 2.8 時,比率降低到 0.3， = 7.3 時比率降低到 0.1。這些數(shù)據(jù)顯示,失效主要集中在中、高應力區(qū)，宏觀裂紋的傳播區(qū)域是在整個測試塊(或組件)。對完整測試塊的實驗指出,標記了臨界疲勞宏觀裂紋長度 的不同槽深的45 號鋼測試塊,與其余沒有發(fā)生宏觀失效測試塊是不同的。各種鋼(142 年融化)的測試塊，當宏觀疲勞裂紋繼續(xù)增大時,記錄的長度 l 有可能上升到臨界長度 為 75 - 80 mm。然后剩下的部分失效,斷裂的表面露出纖維結構。我們可以觀察到槽深為 145mm 以及槽深為 142mm 鋼的測試塊的宏觀疲勞裂紋長度相比臨界長度 小得多時（測試塊關鍵部位的臨界強度 由正在長大的宏觀裂紋決定），瞬時斷裂的保留的部分也能被觀察到。在這種情況下,測試塊上斷裂表面的殘余部分為晶體結構。觀察到達關鍵的宏觀裂紋長度(或地區(qū))這種類型的測試塊殘余部分疲勞宏觀裂紋發(fā)展和最后斷裂，得出所有槽深為 145mm 鋼的測試塊實驗過程中： =26.25，23.14 或 22.25kgf/m㎡ 。根據(jù)（10-12）中的數(shù)據(jù)，具有相同類型以及本身帶有宏觀疲勞裂紋的測試塊發(fā)生過載時，能觀察到類似的失效狀況。圖 6。分布圖:a)關鍵宏觀裂紋長度;b)關鍵宏觀裂紋區(qū)域;c)壓裂致失效的應力振幅;d)24×90×700mm 槽深 145mm 45 號鋼測試塊的應力強度因素, 1) = 26.25 kgf/m㎡;2) = 23.14kgf/m㎡;3) = 22.25 kgf/m㎡。分析測試塊宏觀裂紋的生長和最終斷裂,比如槽深為 145mm 且硬度 HB = 217 kgf/m㎡的 45 號鋼測試塊當循環(huán)積累了一定的傷害時就進入了一個脆弱的狀態(tài)。在這方面,可以使用的疲勞實驗結果和顯微鏡觀察的數(shù)據(jù)來估算相應槽深的鋼的測試塊抗脆性破壞應力強度因子 。為了計算 的值 ,加載過程中記錄光測試塊的瞬時失效撓度圖和關鍵的宏觀疲勞裂紋尺寸幾何圖形，幾何圖形是測試塊失效表面與相對應[10-13] 確定的。運用方程來解決線性失效力學，我們運用方程對測試塊中間跨度的位置（三點彎曲）加載一個彎曲方向的力時發(fā)現(xiàn)應力強度的影響因素，具體[8，14,15]中有解釋：(3)當負載 加到測試塊時， ,L 是梁的長度(或支持物之間的跨度),H 為測試塊的厚度，B 是梁的高度,l 是宏觀裂紋的長度(或在過渡到一個不穩(wěn)定的狀態(tài)時關鍵的宏觀裂紋長度)。的值受兩方面影響:沒有考慮裂紋尖端的塑性應變,同時又將這一特性帶入實際統(tǒng)計。圖 7。測試塊斷裂 =16 mm， = 338 m㎡, = 33.5 kgf/m㎡;b) = 2 1 mm， = 462 m㎡， = 34.3 kgf/m㎡;c) = 34 mm， = 790 m㎡，= 40.5 kgf/m㎡。（4）這里定義測試塊未經(jīng)加工部分的失效壓力 ，經(jīng)過加工（削弱作用）部分的失效壓力為 ，有以下方程式：（ 5）式中 表示槽深為 145mm 的 45 號鋼的屈服點。為了確定研究中具有分散特性的具體數(shù)值，測量斷裂處宏觀裂紋痕跡長度，測試塊預斷裂部分沒有宏觀裂紋覆蓋，分析數(shù)據(jù)選取三個不同壓力水平對 10 個測試塊進行疲勞實驗從而獲得應力強度因子。概率被應用于宏觀裂紋臨界長度 臨界區(qū)域 ，斷裂前的壓力振幅，應力強度因子 （不考慮裂紋尖端的塑性）見圖 6。90%置信區(qū)間內(nèi)具有分散特性的數(shù)值的平均值、標準偏差以及這些值的變異系數(shù)如表 4 所示。為了得到長度為 0.1-0.5mm 的宏觀裂紋，并最終使槽深為 145mmd 45 號鋼測試塊最終失效，加載的周期數(shù)應有所提高，具體參考表 5。依據(jù)表 4 給出的數(shù)據(jù)，我們可以得到應力強度因子的平均值的散布圖，最終失效的壓力振幅的散布圖，以及宏觀裂紋的長度、區(qū)域的散布圖。因此，在三種不同壓力水平下測定的 平均值的偏差為 1.0-1.5%，而同樣情況下 (平均值)的偏差為 8.5-16%。用變異系數(shù)的平均值得到的關鍵宏觀裂紋的長度 的值是相似情況下獲得的應力強度因子 值的 2.1-4.4 倍。使用壽命的估算（見表 5）, 0.1 -0.5 毫米的宏觀裂紋的長度隨著加載在測試塊上的周期數(shù)的增加而變大，包括=1.23 達到最大值的情況。還必須指出的是,所有的測試塊加載三種應力水平時的特性為線性，同時表現(xiàn)為脆性(見圖 7)。這些數(shù)據(jù)表明, 尖端宏觀裂紋的塑性與大量尺寸較小的宏觀裂紋相關。這也是我們假定尺寸為 24×90×700mm 的測試塊的 值來確定試件變形的條件。結論1．當疲勞斷裂過程分為兩個階段，且我們有足夠多各種形狀的測試塊用于實驗而光滑的更少時，最大極限強度的差異表現(xiàn)在測試周期范圍為 。當測試周期數(shù)增大到 - 2× 時這種差異減小。2．不同的應力集中,當壓力水平及其應力集中程度提高時，測試塊在使用壽命（工作周期）內(nèi)宏觀裂紋的增長應獨立于測試塊的形狀和絕對尺寸之外。3．硬度 HB = 2177 kgf/m㎡ 、寬 24mm、高 90mm 的 45 號鋼測試塊最終斷裂是脆性條件下循環(huán)積累傷害的結果，硬度 NB = 187 kgf/m㎡的鋼都有相似的結論。4．尺寸為 24× 90× 700mm 且硬度 HB = 217 kgf/m㎡的 45 號鋼測試塊的應力強度因子與該測試塊關鍵宏觀裂紋長度具有相類似的分布情況。5．應力強度因子平均值的變異系數(shù)(忽略斷裂裂紋尖端的塑性) 是強度極限應力振幅 的 3-4 倍，此時測試塊是尺寸為 24× 90× 700mm 且硬度 HB = 217 kgf/m㎡的 45 號鋼。