一种优化侧槽的紧凑拉伸试件制造技术

本实用新型专利技术提供了一种优化侧槽的紧凑拉伸试件，包括开设有裂纹的CT试件本体，所述CT试件本体的前后两面沿裂纹扩展方向开设有侧槽。本实用新型专利技术的优化侧槽的紧凑拉伸试件，裂纹前沿断裂参数沿厚度变化最小，裂纹扩展时前沿保持平直，提高了裂纹长度测量的准确度。

A Compact Tensile Specimen with Optimized Side Slot

【技术实现步骤摘要】
一种优化侧槽的紧凑拉伸试件
本技术属于材料试验方法
，具体涉及一种优化侧槽的紧凑拉伸试件。
技术介绍
航空发动机轮盘的损伤容限设计理念是在假设存在来自于材料内部或加工的缺陷的条件下，根据实际载荷条件和材料的裂纹扩展速率确保轮盘的使用寿命。因此，损伤容限设计的关键问题之一是依据准确的裂纹扩展率数据建立可靠的裂纹扩展模型，在此基础上，准确预测从初始缺陷到裂纹扩展至轮盘失稳破裂的寿命。金属材料裂纹扩展行为和模型的研究通常是基于材料标准CT试样的裂纹扩展试验。对于标准CT试样裂纹扩展试验，裂纹贯穿板厚，一般假设裂纹均匀扩展，裂纹尖端应力强度因子数值根据试验标准提供的基于平面应力状态假设得到的经验公式计算。然而CT试样裂纹前缘的实际应力状态为非均匀的，中心区域接近平面应变状态，应力强度因子最大，两侧应力强度因子逐渐减小。所以CT试样贯穿裂纹的扩展一般是不均匀的，通常中心区域扩展快，两侧扩展慢，裂纹扩展存在三维拘束效应，裂纹前缘的应力状态分布尤其是Z向应力(平行于裂纹前缘的应力)影响其裂纹扩展过程。因此，基于标准CT试样测试获得的裂纹扩展率数据是模糊平均的结果。而蠕变、疲劳以及蠕变-疲劳等裂纹扩展试验的ASTM标准中，建议采用20％总厚度的60°夹角的V型侧槽。文献研究表明，采用标准建议的V形侧槽并不能保证裂纹前缘断裂参数分布的一致性。因此，针对这一问题，提出一种优化侧槽的紧凑拉伸试件。
技术实现思路
为弥补现有标准在裂纹扩展试件侧槽形状方面的不足，本技术的目的是提供一种优化侧槽的紧凑拉伸试件。为实现上述目的，本技术采用的技术方案是：一种优化侧槽的紧凑拉伸试件，包括开设有裂纹的CT试件本体，所述CT试件本体的前后两面沿裂纹扩展方向开设有侧槽。所述CT试件本体的材质为镍基高温合金材料。所述CT试件本体总厚度B＝10mm，宽度W＝20mm。所述侧槽为V形，其底部为圆弧形。所述侧槽的张角θ＝161.6°，底部半径R＝2.23mm，侧槽深度d＝0.496mm。所述CT试件本体的净厚度为Bnet＝9.008mm，净厚度/总厚度＝90％。本技术的有益效果是：(1)裂纹前沿断裂参数沿厚度变化最小。侧槽形状为以裂纹前沿应力强度因子K的方差为优化目标，得到的最优侧槽几何形状，能够保证裂纹前沿厚度方向K的变化最小。(2)裂纹扩展时前沿保持平直。由于裂纹前沿K沿厚度方向变化减小，所以沿厚度方向裂纹扩展率变化减小，最大程度减弱裂纹扩展的“隧道效应”，保持裂纹前沿平直。(3)提高裂纹长度测量的准确度。采用光学显微镜观察法或电位法测量裂纹长度，平直的裂纹前沿可提高裂纹长度监测的准确度。附图说明图1a-图1e是本技术的优化侧槽的紧凑拉伸试件的结构示意图，其中图1a是正视图，图1b是左视图，图1c是立体图，图1d是图1a中D部分的放大图，图1e是图1b中A部分的放大图；图2a-图2d是无侧槽试件的结构示意图，其中图2a是正视图，图2b是左视图，图2c是立体图，图2d是图2a中D”部分的放大图；图3a-图3e是ASTM建议V型侧槽CT试件的结构示意图，其中图3a是正视图，图3b是左视图，图3c是立体图，图3d是图3a中D’部分的放大图，图3e是图3b中A’部分的放大图；图4是三种试件裂纹长度沿厚度方向方差对比。具体实施方式下面结合附图对本专利技术做更进一步的解释。如图1a-图1e，本技术的一种优化侧槽的紧凑拉伸试件，包括开设有裂纹2的CT试件本体1，CT试件本体1上开设有两个加载销钉孔4；CT试件本体1的材质为镍基高温合金材料，总厚度B＝10mm，宽度W＝20mm，宽度W是指沿裂纹扩展方向加载销钉孔中心至CT试件本体端部的距离；CT试件本体1的前后两面沿裂纹扩展方向开设有侧槽3，侧槽3为V形，其底部为圆弧形，张角θ＝161.6°，底部半径R＝2.23mm，侧槽深度d＝0.496mm；CT试件本体1的净厚度为Bnet＝9.008mm，净厚度/总厚度≈90％。图1a-图1e中，缺口宽度h＝2mm，缺口根部为V形，其张角α＝45°，根部半径r＝0.08mm；裂纹初始长度a0＝8mm；试件整体长L＝27mm，高H＝26mm，加载销钉孔直径下面通过将本技术的优化侧槽的紧凑拉伸试件与无侧槽试件及ASTM建议V型侧槽CT试件进行对比试验。试验方法和试验结果：1.为对比优化侧槽效果，以无侧槽CT试件和ASTM建议V型侧槽CT试件进行对比试验：无侧槽CT试件的几何尺寸如图2a-图2d，其中，试件的总厚度B＝10mm，宽度W＝20mm；缺口宽度h＝2mm，缺口根部为V形，其张角α＝45°，根部半径r＝0.08mm；裂纹初始长度a0＝8mm；试件整体长L＝27mm，高H＝26mm，加载销钉孔直径ASTM建议V型侧槽CT试件的几何尺寸如图3a-图3e，其中，试件的总厚度B＝10mm，宽度W＝20mm；缺口宽度h＝2mm，缺口根部为V形，其张角α＝45°，根部半径r＝0.08mm；裂纹初始长度a0＝8mm；试件整体长L＝27mm，高H＝26mm，加载销钉孔直径侧槽张角θ’＝60°，底部半径R’＝0.05mm，侧槽深度d’＝1mm，净厚度为B’net＝8mm，净厚度/总厚度＝80％。2.由于三个试件净厚度不同，为保证初始应力强度因子Kin≈30MPa√m，分别施加载荷为，P无侧槽＝4.45KN，PASTM-V＝4.0KN，P优化V＝4.28KN。为清晰显示裂纹扩展过程中前沿形状，采用两种载荷交替进行试验：载荷a，载荷比R＝0.01，频率f＝3Hz，循环数N＝2000cyc；载荷b，载荷比R＝0.5，频率f＝10Hz，循环数N＝10000cyc。3.试验在室温条件下进行，断口不同载荷下的形貌不易辨识。在高温炉中，以550℃加热氧化试件1h，自然冷却，无侧槽CT试件内部比外部裂纹扩展快；ASTM建议V型侧槽试件裂纹扩展表面比内部快；优化V型侧槽试件裂纹扩展基本保持平直，在裂纹扩展Δa>5mm后，由于塑性变形的引入，断裂参数不是单纯应力强度因子K控制，所以内外偏差变大。4.对三个断口进行裂纹长度的取点测量，每条裂纹扩展前沿线上沿厚度方向按照平均间隔取9个点的裂纹长度，计算裂纹扩展长度沿厚度方向的方差，对比结果如图4。可知，优化V型侧槽CT试件的裂纹扩展沿厚度方向的方差最小，在初始裂纹扩展时方差S(a)<0.01，在扩展过程中逐渐变大，但保持S(a)<0.02；同时总体都有S(a)优化V<S(a)ASTM-V<S(a)无侧槽。因此，在利用光学显微镜测量裂纹长度时，可保证内外裂纹长度的一致性；同时平直的裂纹前沿可保证电位法测裂纹长度更加准确。以上所述仅是本专利技术的优选实施方式，应当指出，对于本
的普通技术人员来说，在不脱离本专利技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本专利技术的保护范围。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种优化侧槽的紧凑拉伸试件，其特征在于：包括开设有裂纹(2)的CT试件本体(1)，所述CT试件本体(1)的前后两面沿裂纹扩展方向开设有侧槽(3)。

【技术特征摘要】
1.一种优化侧槽的紧凑拉伸试件，其特征在于：包括开设有裂纹(2)的CT试件本体(1)，所述CT试件本体(1)的前后两面沿裂纹扩展方向开设有侧槽(3)。2.根据权利要求1所述的优化侧槽的紧凑拉伸试件，其特征在于：所述CT试件本体(1)的材质为镍基高温合金材料。3.根据权利要求1或2所述的优化侧槽的紧凑拉伸试件，其特征在于：所述CT试件本体(1)总厚度B＝10mm，宽度W＝20mm。4....

【专利技术属性】
技术研发人员：胡绪腾，张冬阁，宋迎东，叶文明，贾旭，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：新型
国别省市：江苏,32