钛合金疲劳裂纹扩展速率曲线Paris区转折点的判定方法技术

本发明专利技术属于材料疲劳裂纹扩展行为分析技术领域，提供了一种钛合金疲劳裂纹扩展速率曲线Paris区转折点的判定方法。该方法根据断口微观特征所表现出的裂纹扩展行为和断裂方式的变化，确定疲劳裂纹扩展机制发生转变时的裂纹扩展长度，通过求解该裂纹扩展长度所对应的应力强度因子幅和疲劳裂纹扩展速率，继而判定疲劳裂纹扩展速率曲线Paris区的转折点位置。本发明专利技术科学依据充分，精确度高，可满足设计使用者进行材料性能评价和损伤容限设计，利于现代化工程应用的需求。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于疲劳裂纹扩展行为分析
，涉及一种钛合金疲劳裂纹扩展速率曲线Paris区转折点的判定方法。
技术介绍
常见的疲劳裂纹扩展速率曲线在双对数坐标da/dN-ΔK关系曲线中一般可分为三个阶段，即低ΔK范围时的ΔK近于门槛值(ΔKth)阶段(Ⅰ区)、中间ΔK范围时的稳定扩展阶段(Ⅱ区，即Paris区)和高ΔK范围时ΔK快速趋于断裂韧度(ΔKIC)阶段(Ⅲ区)。大量研究结果表明，疲劳裂纹扩展速率曲线在Paris区具有对数线性关系，即双对数坐标da/dN-ΔK曲线在Paris区呈一直线，利用该关系进行疲劳寿命预测和耐久性分析，是材料结构疲劳研究的重点。对损伤容限型钛合金的疲劳裂纹扩展行为研究发现，其双对数坐标da/dN-ΔK曲线在Paris区存在明显的转折点现象，转折点前、后裂纹扩展行为和断裂方式发生变化，使得疲劳裂纹扩展速率曲线在Paris区表现出非线性关系，如果用Paris公式进行拟合，将会使得拟合结果与试验数据存在较大偏差，且越靠近门槛值附近偏差越大。研究表明，对于上述试验数据不符合线性规律的情况，以转折点为分界点进行分段拟合，可以获得较为理想的拟合效果，因此，准确判定Paris区曲线的转折点位置，求出相应的应力强度因子范围ΔK，用于疲劳寿命计算和损伤容限设计，在工程技术上具有重要的意义。目前，已有文献报道的疲劳裂纹裂纹扩展速率曲线转折点的判定方法主要包括目测法和数学方法。目测法在确定曲线转折点的位置时，误差较大，结果与实际情况存在较大的偏差；数学法包括截距法、迭代法和曲率法等判定方法，可用于判定具有简单形状曲线的转折点，但数学方法理论依据不足，所求结果往往实际不符。此外，当试验数据复杂，数据的分散性较大时，试验数据曲线波折较大，往往具有多个转折点，此时，目测法、数学方法在准确判定转折点的问题上均遇到了困难，只能依据工程经验进行判断，结果往往缺乏真实性和有效性，因此，需要发展一种能够准确判定疲劳裂纹扩展速率曲线转折点的分析方法。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供了一种更精确的确定钛合金疲劳裂纹扩展速率曲线转折点的方法。为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：步骤一、开展钛合金疲劳裂纹扩展速率试验，记录第i次的载荷循环数Ni以及Ni所对应的裂纹扩展长度ai，共获得i个试验数据点(Ni,ai)；步骤二、根据步骤一获得的试验数据(Ni,ai)，绘制a-N曲线；步骤三、根据疲劳裂纹扩展速率试验的试样几何形状，计算ai对应的应力强度因子范围ΔKi，根据步骤二中的a-N曲线求导数，得到裂纹扩展速率(da/dN)i，然后，绘制疲劳裂纹扩展速率曲线，即双对数坐标da/dN-ΔK曲线；步骤四、利用电子显微镜观察任意断口长度Li处的断口微观形貌特征，分析任意断口长度Li对应的裂纹扩展行为和断裂方式；步骤五、判断任意断口长度Li对应的裂纹扩展行为和断裂方式是否由低应力组织敏感区向稳态扩展区转变：若断口长度Li对应的疲劳裂纹以纯剪切方式扩展，断口形貌粗糙，裂纹扩展路径曲折，断裂方式表现为沿晶团界面或沿晶界断裂，此时的裂纹扩展行为和断裂方式表现为低应力条件下组织敏感区特征，裂纹扩展行为和断裂方式未发生转变，执行步骤四，向断口长度大于Li的方向观察，若断口长度Li对应的疲劳裂纹以多系滑移方式扩展，断口形貌平坦，裂纹扩展路径平直，断裂方式表现为穿越晶团或穿晶断裂特征，此时的裂纹扩展行为和断裂方式表现为稳态扩展区特征，裂纹扩展行为和断裂方式已发生转变，执行步骤四，向断口长度小于Li的方向观察，若断口长度Li对应的疲劳裂纹以纯剪切方式向多系滑移方式转变，裂纹扩展行为和断裂方式由沿晶团界面或沿晶界断裂向穿越晶团或穿晶断裂转变，此时断口长度Li对应的断口长度Lt即为裂纹扩展行为和断裂方式发生转变的位置，执行步骤六；步骤六、根据疲劳裂纹扩展速率试验的试样几何形状，计算断口长度Lt对应的应力强度因子范围ΔKt；步骤七、多项式拟合a-N曲线求导，计算断口长度Lt对应的疲劳裂纹扩展速率(da/dN)t；步骤八、点(ΔKt,(da/dN)t)即为疲劳裂纹扩展速率曲线Paris区的转折点。所述的断口长度Lt对应的应力强度因子范围ΔKt，可由应力强度因子范围表达式确定。所述的断口长度Lt对应对应的疲劳裂纹扩展速率(da/dN)t，可由递增多项式局部拟合a-N曲线求导确定所述的递增多项式局部拟合a-N曲线时，试验数据点(Ni,ai)的裂纹扩展长度ai与断口长度Li之差的绝对值最小，即|ai-1-Lt|＜|ai-Lt|＜|ai+1-Lt|(i＞3)，且ai-3＜Lt＜ai+3本专利技术与现有技术相比具有以下优点：(1)在疲劳裂纹扩展的低应力近门槛区，裂纹以纯剪切方式扩展，断口较为粗糙，裂纹扩展路径曲折，断裂方式表现为沿晶团界面或晶界面断裂特征，此时裂纹扩展处于低速扩展阶段，裂纹扩展速率较慢；在高应力稳态扩展区，疲劳裂纹以多系滑移方式扩展，断口较为平缓，裂纹扩展路径平直，断裂方式表现为穿越晶团或穿晶断裂特征，此时裂纹扩展处于稳态扩展阶段，裂纹扩展速率较快。由于疲劳裂纹扩展行为和断裂方式直接决定了疲劳裂纹扩展速率，使得不同损伤断裂机制下的疲劳裂纹扩展速率大小不同，反映到疲劳裂纹扩展速率曲线上，即表现为曲线的斜率存在明显区别，曲线必然存在一个转折点。本专利技术通过分析断口微观形貌特征所表现出的裂纹扩展行为和断裂方式的变化，来判定疲劳裂纹扩展速率曲线在Paris区的转折点位置，能够真实反映疲劳裂纹扩展的实际物理过程和力学行为，科学依据充分，判定结果比传统的目测法、数学方法具有更高的准确性和有效性；(2)本专利技术以确定的转折点位置为分界点，对疲劳裂纹扩展速率曲线进行分段拟合，可以获得较为理想的拟合效果；(3)本专利技术技术方案完整，科学依据充分，准确性高，为结构疲劳寿命计算和损伤容限设计提供了一种有效的分析工具，有利于现代化工程应用需要。附图说明图1为本专利技术提供的一种确定钛合金疲劳裂纹扩展速率曲线转折点的方法的流程图；图2为本专利技术所涉及钛合金的疲劳裂纹扩展速率试验a-N曲线；图3为本专利技术所涉及钛合金的疲劳裂纹扩展速率双对数坐标da/dN-ΔK曲线及其Paris表达式；图4为本专利技术所涉及钛合金疲劳裂纹扩展速率试验的断口微观特征；图5为本专利技术所确定的钛合金疲劳裂纹扩展速率曲线Paris区的转折点及其Paris分段表达式。具体实施方式如图1所示的一种钛合金疲劳裂纹扩展速率曲线Paris区转折点的判定方法的流程图，本专利技术是通过电子显微镜分析断口微观特征所表现出的裂纹扩展行为和断裂方式，确定疲劳裂纹扩展机制发生转变时对应的断口长度Lt，计算断口长度Lt对应的应力强度因子范围ΔKt和疲劳裂纹扩展速率(da/dN)t，从而判定钛合金疲劳裂纹扩展速率曲线Paris区的转折点，具体实施方式可按照以下步骤进行：步骤一、准备开始。本专利技术适用于TC4-DT、TC21、TA15ELI、Ti-6Al-4V ELI等近α型、α-β型钛合金，该类合金经一定的锻造和热处理后获得片层组织、网篮组织结构，其双对数坐标da/dN-ΔK曲线在Paris区存在转折现象；步骤二、依据GB/T 6398-2000、HB 5216-1998、О本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种钛合金疲劳裂纹扩展速率曲线Paris区转折点的判定方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤一、开展钛合金疲劳裂纹扩展速率试验，记录第i次的载荷循环数Ni以及Ni所对应的裂纹扩展长度ai，共获得i个试验数据点(Ni,ai)；步骤二、根据步骤一获得的试验数据(Ni,ai)，绘制a‑N曲线；步骤三、根据疲劳裂纹扩展速率试验的试样几何形状，计算ai对应的应力强度因子范围ΔKi，根据步骤二中的a‑N曲线求导数，得到裂纹扩展速率(da/dN)i，然后，绘制疲劳裂纹扩展速率曲线，即双对数坐标da/dN‑ΔK曲线；步骤四、利用电子显微镜观察任意断口长度Li处的断口微观形貌特征，分析任意断口长度Li对应的裂纹扩展行为和断裂方式；步骤五、判断任意断口长度Li对应的裂纹扩展行为和断裂方式是否由低应力组织敏感区向稳态扩展区转变：若断口长度Li对应的疲劳裂纹以纯剪切方式扩展，断口形貌粗糙，裂纹扩展路径曲折，断裂方式表现为沿晶团界面或沿晶界断裂，此时的裂纹扩展行为和断裂方式表现为低应力条件下组织敏感区特征，裂纹扩展行为和断裂方式未发生转变，执行步骤四，向断口长度大于Li的方向观察，若断口长度Li对应的疲劳裂纹以多系滑移方式扩展，断口形貌平坦，裂纹扩展路径平直，断裂方式表现为穿越晶团或穿晶断裂特征，此时的裂纹扩展行为和断裂方式表现为稳态扩展区特征，裂纹扩展行为和断裂方式已发生转变，执行步骤四，向断口长度小于Li的方向观察，若断口长度Li对应的疲劳裂纹以纯剪切方式向多系滑移方式转变，裂纹扩展行为和断裂方式由沿晶团界面或沿晶界断裂向穿越晶团或穿晶断裂转变，此时断口长度Li对应的断口长度Lt即为裂纹扩展行为和断裂方式发生转变的位置，执行步骤六；步骤六、根据疲劳裂纹扩展速率试验的试样几何形状，计算断口长度Lt对应的应力强度因子范围ΔKt；步骤七、多项式拟合a‑N曲线求导，计算断口长度Lt对应的疲劳裂纹扩展速率(da/dN)t；步骤八、点(ΔKt,(da/dN)t)即为疲劳裂纹扩展速率曲线Paris区的转折点。...

【技术特征摘要】
1.一种钛合金疲劳裂纹扩展速率曲线Paris区转折点的判定方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤一、开展钛合金疲劳裂纹扩展速率试验，记录第i次的载荷循环数Ni以及Ni所对应的裂纹扩展长度ai，共获得i个试验数据点(Ni,ai)；步骤二、根据步骤一获得的试验数据(Ni,ai)，绘制a-N曲线；步骤三、根据疲劳裂纹扩展速率试验的试样几何形状，计算ai对应的应力强度因子范围ΔKi，根据步骤二中的a-N曲线求导数，得到裂纹扩展速率(da/dN)i，然后，绘制疲劳裂纹扩展速率曲线，即双对数坐标da/dN-ΔK曲线；步骤四、利用电子显微镜观察任意断口长度Li处的断口微观形貌特征，分析任意断口长度Li对应的裂纹扩展行为和断裂方式；步骤五、判断任意断口长度Li对应的裂纹扩展行为和断裂方式是否由低应力组织敏感区向稳态扩展区转变：若断口长度Li对应的疲劳裂纹以纯剪切方式扩展，断口形貌粗糙，裂纹扩展路径曲折，断裂方式表现为沿晶团界面或沿晶界断裂，此时的裂纹扩展行为和断裂方式表现为低应力条件下组织敏感区特征，裂纹扩展行为和断裂方式未发生转变，执行步骤四，向断口长度大于Li的方向观察，若断口长度Li对应的疲劳裂纹以多系滑移方式扩展，断口形貌平坦，裂纹扩展路径平直，断裂方式表现为穿越晶团或穿晶断裂特征，此时的裂纹扩展行为和断裂方式表现为稳态扩展区特征，裂纹扩展行为和断裂方式已发生转变，执行步骤四，向断...

【专利技术属性】
技术研发人员：祝力伟，朱知寿，王新南，商国强，费跃，李静，
申请(专利权)人：中国航空工业集团公司北京航空材料研究院，
类型：发明
国别省市：北京;11