采用不对称裂纹测试疲劳裂纹扩展速率的方法技术

本发明专利技术涉及疲劳裂纹扩展测试技术，具体涉及采用不对称裂纹测试疲劳裂纹扩展速率的方法。其包括：在试件工作段加工沿X轴不对称缺口；将含不对称缺口试件夹持在疲劳试验机上进行疲劳裂纹扩展试验；测量不对称裂纹左、右裂尖扩展信息；对左、右裂尖分别预估疲劳裂纹扩展速率，计算夹持边界条件下不对称裂纹左、右裂尖的应力强度因子变程；分别求取材料的疲劳裂纹扩展速率参数CA、nA和CB、nB。其解决了M(T)试件出现不对称裂纹后数据无效问题；左、右裂尖应力强度因子变程不同，疲劳裂纹扩展速率也不同，与M(T)试件对称裂纹相比，数据量增加，有效信息增加；可合理配置不对称缺口的位置和尺寸，实现全范围疲劳裂纹扩展速率测试。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及疲劳裂纹扩展测试技术，具体而言，涉及采用不对称裂纹测试疲劳裂纹扩展速率的方法。
技术介绍
重复载荷作用下的疲劳/断裂是飞行器结构最主要的失效形式，为了保证结构的使用安全和经济性，现代先进飞行器结构普遍采用耐久性/损伤容限思想进行结构设计。按该设计思想要求，在结构设计阶段，要进行疲劳裂纹扩展分析和损伤容限试验以确定结构检修间隔，而材料的疲劳裂纹扩展速率是进行疲劳裂纹扩展分析的基本性能参数。为此，自20世纪50年代开始，国内外开展了大量的材料疲劳裂纹扩展速率测试方法研究，形成了疲劳裂纹扩展速率测试标准方法，如美国ASTM E647系列，欧洲BS ISO 12108系列，我国GB/T 6398系列，在上述标准中，规定了试件形式，疲劳裂纹长度测量方法和数据处理方法。疲劳裂纹扩展速率测试标准中给出了3种典型的试件：标准紧凑拉伸C(T)试样、标准中心拉伸M(T)试样、标准单边缺口三点弯曲SE(B)试样。其中，C(T)试样和SE(B)试样不能用于负应力比(R<0)下的疲劳裂纹扩展速率试验。而M(T)试样可用于正、负应力比下的疲劳裂纹扩展速率试验，适用范围广，得到了普遍应用。疲劳裂纹长度测量方法主要有：目测法、电位法和柔度法。目测法通常使用数码显微镜将试件表面放大，将数字信号传输至电脑，在显示窗口中显示出试件表面的图像，通过移动显微镜使图像显示的裂纹尖端与预设标线重合，在光栅数显表上读出显微镜的位置，即为裂纹尖端的坐标。目测法操作简单、直观，精度高，对设备要求不高。电位法可以测得穿透裂纹长度，试验过程中不需要人为操作，但电位法测量精度容易受外界干扰，对线路干扰特别明显，而且试验前需要进行标定，标定过程复杂，结果不可靠；试验结束后需要进行裂纹前缘曲率修正。柔度法可以适用于不同的测量环境和试验材料，但是柔度法存在如下问题：对试验机的要求较高；实验前需要进行弹性模量标定，标定过程比较复杂，标定结果不唯一，与载荷和裂纹长度有关；试验结束后需要进行裂纹前缘曲率修正。另外，电位法和柔度法存在更为严重的问题：对C(T)试件和SEB(T)试件，一旦裂纹扩展不沿对称面方向，则电位法和柔度法失效；对M(T)试件，按标准要求，一旦裂纹扩展不对称，则测试方法失效。与电位法和柔度法相比，目测法的测量结果更加真实准确，对C(T)、SEB(T)试件，如果采用目测法，即使裂纹扩展偏斜，也能进行数据的处理分析，但是对目前实验室广泛采用的M(T)试件，当裂纹扩展不对称时，按照ASTM等标准，此时记录的裂纹扩展数据只能作为无效数据处理。试验发现，即使是传统的广泛使用的金属材料，采用M(T)试件进行疲劳裂纹扩展速率测试时，也会产生裂纹扩展不对称的现象。而随着各种新型材料的出现，如金属层合板，3D打印金属材料、单晶材料、金属基复合材料，越来越多的出现疲劳裂纹不对称扩展的现象，如果按标准要求认为结果无效，势必造成大量的人力和物力的浪费。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种采用不对称裂纹测试疲劳裂纹扩展速率的方法，不仅可以解决现有测试标准中无法有效利用M(T)试件不对称裂纹扩展数据的问题；而且，左、右裂尖应力强度因子变程不同，疲劳裂纹扩展速率也不同，与M(T)试件对称裂纹相比，不对称裂纹有效数据量增加1倍，有效信息明显增加，可节约试件和人力、财力；还可通过合理配置不对称缺口的位置和尺寸，实现全范围疲劳裂纹扩展速率的测试。本专利技术涉及一种采用不对称裂纹测试疲劳裂纹扩展速率的方法，其包括：采用等厚度直条形试件，在试件工作段加工沿X轴的不对称缺口；将带有不对称缺口的试件夹持在疲劳试验机的夹头上，缺口到上夹头、下夹头的距离相同；使加载方向垂直于缺口表面，然后施加等幅疲劳载荷，进行疲劳裂纹扩展试验；测量不对称裂纹扩展的信息，并记录疲劳载荷作用次数N，所述信息包括：试件在X轴方向的半宽W、试件工作段的长度L、右裂纹尖端A的坐标aA、左裂纹尖端B的坐标aB；利用其中，a为裂纹半长，a＝(aA-aB)/2，m(A,B)(aA,aB,x)为右裂纹尖端、左裂纹尖端的权函数，用于求取夹持边界条件下不对称裂纹右裂尖应力强度因子KA和左裂尖应力强度因子KB；计算右裂尖、左裂尖的应力强度因子变程ΔKA、ΔKB，计算公式为ΔKA＝KA(1-R)、ΔKB＝KB(1-R)，其中，R为应力比；分别预估不对称裂纹右裂尖、左裂尖的疲劳裂纹扩展速率(da/dN)A、(da/dN)B；根据所述ΔKA、所述(da/dN)A，所述ΔKB、所述(da/dN)B分别求取材料的疲劳裂纹扩展速率参数CA、nA和CB、nB。在一些实施例中，优选为，所述试件为等厚度板；不对称缺口中心偏离试件中心线；所述不对称缺口的加工方式为线切割。在一些实施例中，优选为，在所述疲劳裂纹扩展速率测试中，采用目测法测量疲劳裂纹尺寸；所述方法还包括：定期在裂纹尖端涂抹着色液。在一些实施例中，优选为，所述测量不对称裂纹扩展的信息包括：观察通过数码显微镜放大的裂纹；移动所述数码显微镜，使所述放大的裂纹的尖端与预设标线重合；将所述疲劳试验机的试验频率降低，在光栅数显尺上读出右裂纹尖端A、左裂纹尖端B的坐标aA、aB。在一些实施例中，优选为，求取夹持边界条件下不对称裂纹右裂尖应力强度因子KA、左裂尖应力强度因子KB包括：根据夹持边界条件的特点和试件本身关于Y轴刚度不对称的特点，建立不对称裂纹应力强度因子求解的等效模型；根据裂纹体的应变能、附加弯矩，及自由均匀拉伸条件下的应力强度因子Kσ(A,B)、纯弯载荷下的应力强度因子KM(A,B)，基于所述等效模型获取KA、KB。在一些实施例中，优选为，所述等效模型为：将夹持边界条件等效为自由均匀拉伸σ和纯弯载荷M的共同作用，并且使得试件端部X-Y平面内的转角等于0；K(A,B)＝Kσ(A,B)+KM(A,B)。在一些实施例中，优选为，所述自由均匀拉伸条件下的应力强度因子Kσ(A,B)的求取方式为：其中，σ(x)为无裂纹体在自由均匀拉伸应力σ下假想裂纹面的Y向应力分布，σ＝P/S，P为载荷，S为试件的横截面积；σ(x)＝σ，x为积分坐标。在一些实施例中，优选为，所述纯弯载荷作用下应力强度因子KM(A,B)的求取方式为：其中，σM(x)为无裂纹体在远场纯弯载荷M作用下假想裂纹面的Y向应力分布；假定试件厚度为单位厚度，M为纯弯载荷。在一些实施例中，优选为，所述(da/dN)A、所述(da/dN)B的预估方法为：其中，aA,i、aB,i分别表示第i次判读得到的右裂纹尖端A、左裂纹尖端B的坐标，Ni、Ni+1分别表示第i次和第i+1次判读裂纹时记录的载荷循环数；或其中，下标n在7点拟合中等于3，在5点拟合中等于2；系数b0、b1、b2是以在区间[ai-n,ai+n]按裂纹长度观测值与拟合值之间的偏差平方和最小为原则确定的回归参数；拟合值是对应于载荷循环数Ni的拟合裂纹长度；参数C1和C2用于变换输入数据。在一些实施例中，优选为，所述材料疲劳裂纹扩展速率参数CA、nA和CB、nB的求取方法包括：确定给定应力比下疲劳裂纹扩展速率的方程：由数据进行线性拟合，确定材料的疲劳裂纹扩展速率参数CA、nA和CB、nB。本专利技术实施例提供的一种采用不对称裂纹测试疲劳裂纹扩展速率的方法，与本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种采用不对称裂纹测试疲劳裂纹扩展速率的方法，其特征在于：采用等厚度直条形试件，在试件工作段加工沿X轴的不对称缺口；将带有不对称缺口的试件夹持在疲劳试验机的夹头上，缺口到上夹头、下夹头的距离相同；使加载方向垂直于缺口表面，然后施加等幅疲劳载荷，进行疲劳裂纹扩展试验；测量不对称裂纹扩展的信息，并记录疲劳载荷作用次数N，所述信息包括：试件在X轴方向的半宽W、试件工作段的长度L、右裂纹尖端A的坐标aA、左裂纹尖端B的坐标aB；利用其中，a为裂纹半长，a＝(aA‑aB)/2，m(A,B)(aA,aB,x)为右裂纹尖端、左裂纹尖端的权函数，用于求取夹持边界条件下不对称裂纹右裂尖应力强度因子KA和左裂尖应力强度因子KB；计算右裂尖、左裂尖的应力强度因子变程ΔKA、ΔKB，计算公式为ΔKA＝KA(1‑R)、ΔKB＝KB(1‑R)，其中，R为应力比；分别预估不对称裂纹右裂尖、左裂尖的疲劳裂纹扩展速率(da/dN)A、(da/dN)B；根据所述ΔKA、所述(da/dN)A，所述ΔKB、所述(da/dN)B分别求取材料的疲劳裂纹扩展速率参数CA、nA和CB、nB。

【技术特征摘要】
1.一种采用不对称裂纹测试疲劳裂纹扩展速率的方法，其特征在于：采用等厚度直条形试件，在试件工作段加工沿X轴的不对称缺口；将带有不对称缺口的试件夹持在疲劳试验机的夹头上，缺口到上夹头、下夹头的距离相同；使加载方向垂直于缺口表面，然后施加等幅疲劳载荷，进行疲劳裂纹扩展试验；测量不对称裂纹扩展的信息，并记录疲劳载荷作用次数N，所述信息包括：试件在X轴方向的半宽W、试件工作段的长度L、右裂纹尖端A的坐标aA、左裂纹尖端B的坐标aB；利用其中，a为裂纹半长，a＝(aA-aB)/2，m(A,B)(aA,aB,x)为右裂纹尖端、左裂纹尖端的权函数，用于求取夹持边界条件下不对称裂纹右裂尖应力强度因子KA和左裂尖应力强度因子KB；计算右裂尖、左裂尖的应力强度因子变程ΔKA、ΔKB，计算公式为ΔKA＝KA(1-R)、ΔKB＝KB(1-R)，其中，R为应力比；分别预估不对称裂纹右裂尖、左裂尖的疲劳裂纹扩展速率(da/dN)A、(da/dN)B；根据所述ΔKA、所述(da/dN)A，所述ΔKB、所述(da/dN)B分别求取材料的疲劳裂纹扩展速率参数CA、nA和CB、nB。2.如权利要求1所述的采用不对称裂纹测试疲劳裂纹扩展速率的方法，其特征在于，所述试件为等厚度板；不对称缺口中心偏离试件中心线；所述不对称缺口的加工方式为线切割。3.如权利要求1所述的采用不对称裂纹测试疲劳裂纹扩展速率的方法，其特征在于，在所述疲劳裂纹扩展速率测试中，采用目测法测量疲劳裂纹尺寸；所述方法还包括：定期在裂纹尖端涂抹着色液。4.如权利要求1所述的采用不对称裂纹测试疲劳裂纹扩展速率的方法，其特征在于，所述测量不对称裂纹扩展的信息包括：观察通过数码显微镜放大的裂纹；移动所述数码显微镜，使所述放大的裂纹的尖端与预设标线重合；将所述疲劳试验机的试验频率降低，在光栅数显尺上读出右裂纹尖端A、左裂纹尖端B的坐标aA、aB。5.如权利要求1所述的采用不对称裂纹测试疲劳裂纹扩展速率的方法，其特征在于，求取夹持边界条件下不对称裂纹右裂尖应力强度因子KA、左裂尖应力强度因子KB包括：根据夹持边界条件的特点和试件本身关于Y轴刚度不...

【专利技术属性】
技术研发人员：贺小帆，董颖豪，杨博霄，李玉海，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，中国航空工业集团公司，
类型：发明
国别省市：北京;11