双向疲劳裂纹扩展速率测试方法及测试系统技术方案

本发明专利技术涉及疲劳裂纹扩展测试技术，具体涉及双向疲劳裂纹扩展速率测试方法及测试系统。该方法在试件中心预制半圆形缺口；将试件夹持在疲劳试验机上；施加交变载荷预制疲劳裂纹；采用恒定等幅循环载荷进行疲劳裂纹扩展试验，试验中施加标识载荷，在断口留下供判读标识线；在工具显微镜下进行断口判读，获取标识线沿试件宽度方向的半长a、沿试件厚度方向的深度c，及对应的交变载荷循环数N；求取夹持边界条件下表面裂纹的应力强度因子；根据a、c和N进行裂纹扩展速率估计，确定双向疲劳裂纹扩展速率参数nA、CA、nB、CB。本方法直接断口上判读裂纹形态和尺寸，结果准确，无需额外设备，一次试验可得沿两个方向的疲劳裂纹扩展速率参数。

Method and system for testing bidirectional fatigue crack growth rate

The invention relates to a fatigue crack propagation testing technique, in particular to a method and a system for testing the fatigue crack growth rate. This method is at the center of the specimen prefabricated semicircular notch; the specimen clamping in fatigue testing machine; load prefabricated fatigue crack alternating with constant amplitude cyclic loading; fatigue crack propagation tests, applied identification load test, the fracture in left for interpretation marks; fracture interpretation in the tool microscope, half long obtain identification line along the direction of a, the width of the specimen along the specimen thickness direction of the depth of C, and the corresponding alternating load cycle number N; calculate the clamping surface crack to boundary conditions of stress intensity factor; crack expansion rate estimation based on a, C and N, determine the bidirectional fatigue crack growth rate nA, CA, nB, parameter CB. In this method, the shape and size of cracks are directly observed on the fracture surface, and the results are accurate, and the fatigue crack growth rate parameters in two directions can be obtained without any additional equipment.

【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，涉及双向疲劳裂纹扩展速率测试方法及测试系统。
技术介绍
结构在使用过程中会承受长期的交变载荷作用，交变载荷作用导致结构产生疲劳裂纹，疲劳裂纹的扩展会导致结构失效，研究交变载荷作用下结构的裂纹扩展对保证结构的安全和经济性具有重要意义。结构在使用过程中出现的典型裂纹形态有多种，可以归为3类：(1)一维裂纹，如图2a所示，为单边穿透裂纹，裂纹从边缘起裂，形成穿透裂纹，裂纹前缘平直，在垂直于载荷的方向扩展，在图2a所示坐标系下用1个量即可表征裂纹的位置和尺寸；(2)二维裂纹，如图2b所示，为中心穿透裂纹，从结构内部起裂，形成穿透裂纹，裂纹前缘平直，在垂直于载荷的方向扩展，在图2b所示坐标系下，需用两个量(中心位置和裂纹半长)确定裂纹位置和尺寸；(3)三维裂纹，裂纹前缘为曲线。如图3a～图3c所示，比较典型有表面裂纹、棱边裂纹、孔边裂纹、内部裂纹等。为描述裂纹的位置和尺寸，需用多个量表征，如表面裂纹，要定义裂纹中心，长轴和短轴长度。由于载荷和结构形式的复杂性，结构在使用过程中一般不会出现如图2a和图2b所示的一维和二维裂纹，这两种裂纹形式主要用于研究材料的裂纹扩展规律，建立裂纹扩展分析方法。实际结构在使用过程中，在绝大多数情况下产生的是如图3a～图3c所示的三维裂纹，建立三维裂纹扩展寿命的分析方法具有十分重要的现实意义。三维裂纹扩展分析的核心是计算三维裂纹尺寸随交变载荷作用次数的变化，材料的疲劳裂纹扩展速率参数是进行三维裂纹扩展分析的基础。众所周知，疲劳裂纹扩展速率参数的取值影响因素多：当结构几何确定后，疲劳裂纹扩展速率参数与材料取样方向有关，如L，T，S向，不同方向的裂纹扩展速率参数不同。三维裂纹往往呈现某种标准形态，如表面裂纹通常呈半椭圆形，孔边裂纹和棱边裂纹呈1/4圆或1/4椭圆，内部裂纹呈圆形或椭圆形。在裂纹中心点明确时，疲劳裂纹扩展过程中裂纹前缘形状由长轴和短轴长度确定，应取长轴、短轴两个方向的裂纹扩展速率参数进行裂纹扩展分析，因此需要明确两个方向的疲劳裂纹扩展速率参数。为了测试得到材料的疲劳裂纹扩展速率参数，各国均开展了大量的材料疲劳裂纹扩展速率测试方法的研究，形成了标准方法，如美国ASTME647系列，欧洲BSISO12108系列，我国GB/T6398系列。在上述标准中，给出了标准试件、试验系统、裂纹长度测量方法、数据处理分析方法等，但上述标准均只能用于材料单一取样方向(简记为单向，如L-S，S-T，L-T等)的裂纹扩展速率测试。按上述标准方法测试多个方向的疲劳裂纹扩展速率参数，会产生如下问题：(1)多个方向的疲劳裂纹扩展速率参数只能分开测量，如果测试n个取样方向的疲劳裂纹扩展速率参数，按标准要求，则耗费的试件数和时间是单向测试的n倍，而疲劳裂纹扩展速率试验成本高，周期长，必定会消耗大量的时间、人力和物力；(2)标准方法对试件形式、尺寸等有严格要求，测试得到的是标准规格试件的疲劳裂纹扩展速率，而实际结构的尺寸与标准材料尺寸不同，标准试件反映不了实际结构的尺寸、应力状态等；(3)如果设计加工与实际结构尺寸相同的试件进行试验，理论上可行，但是当实际结构的厚度较小时，无法加工成满足标准方法中尺寸要求的试件，因此无法进行厚度方向的疲劳裂纹扩展速率测试。为此，为了能够准确地预测三维裂纹的扩展寿命，需要用试验的方法得到能够反映实际结构几何特征、取样方向和应力状态的疲劳裂纹扩展速率参数。与一维、二维裂纹扩展不同的是，三维裂纹由于裂纹前缘为曲线、隐藏在结构内部，无法通过目视法确定三维裂纹的扩展过程，而且无法直接得到三维裂纹扩展过程中的裂纹前缘形状的变化规律。为了解决该问题，有些研究者在采用含表面裂纹的试件进行疲劳裂纹扩展试验时，假定裂纹沿表面方向裂纹半长与裂纹深度的比值为定值，通过表面直读方法测定裂纹长度，按事先确定的比值估计裂纹深度。但是大量的试验研究和理论分析表明，表面裂纹扩展过程中裂纹沿表面方向和裂纹深度方向的裂纹长度比值随载荷作用次数而变化，这种默认长短轴比值为定值的方法非常不准确，严重影响疲劳裂纹扩展速率参数的估计和后续的疲劳裂纹扩展寿命分析，引起很大的误差。为此，还有其他研究者结合表面直读与柔度法测量三维裂纹的尺寸，该方法通过在表面裂纹中心对称面装卡引伸计测试试件的柔度，再通过表面直读确定裂纹长度，采用有限元方法得到三维半椭圆形表面裂纹扩展时裂纹深度与柔度的关系，通过引伸计测试得到的柔度和表面直读得到的裂纹长度反推裂纹深度。但是，该系统过于复杂，对试验系统要求很高，精度有限，主要体现在：(1)需要综合采用目视法和柔度法，试验复杂，工作量大；(2)表面裂纹扩展过程中，裂纹张开不明显，采用表面直读法要求较高的判读精度，柔度测试要求测试仪器具有很高的精度，一般设备难以满足要求；(3)一旦裂纹前缘形状变化，该方法失效；(4)试验前需要进行大量的有限元分析，以确定试验条件下柔度和裂纹尺寸的关系；(5)需要标定弹性模量，而模量标定值与试件几何形状、裂纹尺寸有关，标定过程复杂，结果不可靠。因此，简便可靠的双向疲劳裂纹扩展速率测试方法成为目前迫切需要建立的关键技术。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种双向疲劳裂纹扩展速率测试方法及测试系统，以解决如何通过一次试验同时获得两个方向的疲劳裂纹扩展速率参数的问题。本专利技术一个方面提供了一种双向疲劳裂纹扩展速率测试方法，其包括：选择长方体试件；在试件表面的中心位置预制半圆形缺口；将带有半圆形缺口的试件夹持在疲劳试验机的上下夹头上，使半圆形缺口到上下夹头的距离相同；施加交变载荷在所述试件上预制疲劳裂纹；采用恒定等幅循环载荷进行疲劳裂纹扩展试验，试验中施加标识载荷以在断口上留下供判读的标识线，直至试件断裂；在工具显微镜下进行断口判读，获取所述标识线(即裂纹前缘)沿试件宽度方向的半长a、所述标识线沿试件厚度方向的深度c；确定所述标识线对应的交变载荷循环数N；利用确定标识线条数，其中，[]表示取整，Ntot为试件断裂时的载荷循环数，ΔN为一个由正式试验载荷与标识载荷构成的二级块谱中正式试验载荷的循环数，ΔM为一个由正式试验载荷与标识载荷构成的二级块谱中标识载荷的循环数；利用求取夹持边界条件下表面裂纹的应力强度因子，其中，σ为远端拉应力，E(k)为第二类完全椭圆积分，FI为形状系数，H为与裂纹形状相关的系数，M为夹持边界引起的附加弯矩，w为试件半宽，t为试件厚度，2h为试件长度减去夹持段长度后的净长度，υ为泊松比，确定表面裂纹沿试件宽度方向的顶点A和沿试件厚度方向的顶点B，根据第i条标识线沿试件宽度方向的半长ai、第i条标识线沿试件厚度方向的深度ci和对应的交变载荷循环数Ni(i＝m,m-1,...,1)；采用Pairs公式进行疲劳裂纹扩展速率估计，确定沿试件宽度、厚度两个方向的疲劳裂纹扩展速率参数nA、CA、nB、CB。在一些实施例中，优选为，所述半圆形缺口通过电火花放电或机械切割的方式加工，在平行于试件宽边的方向上，所述半圆形缺口的半径为0.5～1.0mm；在平行于试件长边的方向上，所述半圆形缺口的长度在0.3mm以下。在一些实施例中，优选为，当所述试件夹持在所述疲劳试验机的上下夹头上时，试件的中心线与夹头轴线重合。在一本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种双向疲劳裂纹扩展速率测试方法，其特征在于，包括：选择长方体试件；在试件表面的中心位置预制半圆形缺口；将带有半圆形缺口的试件夹持在疲劳试验机的上下夹头上，使半圆形缺口到上下夹头的距离相同；施加交变载荷在所述试件上预制疲劳裂纹；采用恒定等幅循环载荷进行疲劳裂纹扩展试验，试验中施加标识载荷以在断口上留下供判读的标识线，直至试件断裂；在工具显微镜下进行断口判读，获取标识线沿试件宽度方向的半长a、标识线沿试件厚度方向的深度c；确定所述标识线对应的交变载荷循环数N；利用计算确定标识线条数，其中，[]表示取整，Ntot为试件断裂时的载荷循环数，ΔN为一个由正式试验载荷与标识载荷构成的二级块谱中正式试验载荷的循环数，ΔM为一个由正式试验载荷与标识载荷构成的二级块谱中标识载荷的循环数；利用求取夹持边界条件下表面裂纹的应力强度因子，其中，σ为远端拉应力，E(k)为第二类完全椭圆积分，FI为形状系数，H为与裂纹形状相关的系数，M为夹持边界引起的附加弯矩，w为试件半宽，t为试件厚度，2h为试件长度减去夹持段长度后的净长度，υ为泊松比，确定表面裂纹沿试件宽度方向的顶点A和沿试件厚度方向的顶点B，根据第i条标识线沿试件宽度方向的半长ai、第i条标识线沿试件厚度方向的深度ci和对应的交变载荷循环数Ni(i＝m,m‑1,...,1)；采用Pairs公式进行疲劳裂纹扩展速率估计，确定沿试件宽度、厚度两个方向的疲劳裂纹扩展速率参数nA、CA、nB、CB。...

【技术特征摘要】
1.一种双向疲劳裂纹扩展速率测试方法，其特征在于，包括：选择长方体试件；在试件表面的中心位置预制半圆形缺口；将带有半圆形缺口的试件夹持在疲劳试验机的上下夹头上，使半圆形缺口到上下夹头的距离相同；施加交变载荷在所述试件上预制疲劳裂纹；采用恒定等幅循环载荷进行疲劳裂纹扩展试验，试验中施加标识载荷以在断口上留下供判读的标识线，直至试件断裂；在工具显微镜下进行断口判读，获取标识线沿试件宽度方向的半长a、标识线沿试件厚度方向的深度c；确定所述标识线对应的交变载荷循环数N；利用计算确定标识线条数，其中，[]表示取整，Ntot为试件断裂时的载荷循环数，ΔN为一个由正式试验载荷与标识载荷构成的二级块谱中正式试验载荷的循环数，ΔM为一个由正式试验载荷与标识载荷构成的二级块谱中标识载荷的循环数；利用求取夹持边界条件下表面裂纹的应力强度因子，其中，σ为远端拉应力，E(k)为第二类完全椭圆积分，FI为形状系数，H为与裂纹形状相关的系数，M为夹持边界引起的附加弯矩，w为试件半宽，t为试件厚度，2h为试件长度减去夹持段长度后的净长度，υ为泊松比，确定表面裂纹沿试件宽度方向的顶点A和沿试件厚度方向的顶点B，根据第i条标识线沿试件宽度方向的半长ai、第i条标识线沿试件厚度方向的深度ci和对应的交变载荷循环数Ni(i＝m,m-1,...,1)；采用Pairs公式进行疲劳裂纹扩展速率估计，确定沿试件宽度、厚度两个方向的疲劳裂纹扩展速率参数nA、CA、nB、CB。2.如权利要求1所述的双向疲劳裂纹扩展速率测试方法，其特征在于，所述半圆形缺口通过电火花放电或机械切割的方式加工，在平行于试件宽边的方向上，所述半圆形缺口的半径为0.5～1.0mm；在平行于试件长边的方向上，所述半圆形缺口的长度在0.3mm以下。3.如权利要求1所述的双向疲劳裂纹扩展速率测试方法，其特征在于，当所述试件夹持在所述疲劳试验机的上下夹头上时，试件的中心线与夹头轴线重合。4.如权利要求1所述的双向疲劳裂纹扩展速率测试方法，其特征在于，所述施加交变载荷在所述试件上预制疲劳裂纹，包括：在疲劳试验机上设置交变载荷，交变载荷的峰值高于所述恒定等幅循环载荷的最大值；采取逐级降载方法预制疲劳裂纹；当从所述半圆形缺口左顶点、右顶点均产生沿水平方向长为0.3～1.0mm的裂纹时，停止预制疲劳裂纹。5.如权利要求1所述的双向疲劳裂纹扩展速率测试方法，其特征在于，所述采用恒定等幅循环载荷进行裂纹扩展试验，试验中施加标识载荷以在断口上留下供判读的标识线，直至试件断裂，包括：确定恒定等幅循环载荷的应力比R和峰值应力σmax；确定标识载荷的应力比R′和峰值应力σ′max；构建包含ΔN次交变载荷与ΔM次标识载荷的交替循环的二级块谱；对试件施加所述二级块谱，直至试件断裂，断口上会留下供判读的标识线。6.如权利要求5所述的双向疲劳裂纹扩展速率测试方法，其特征在于，所述标识载荷的幅值为所述交变载荷幅值的25％～35％。7.如权利要求5所述的双向疲劳裂纹扩展速率测试方法，其特征在于，所述在工具显微镜下进行断口判读包括：基于标识线为三维表面裂纹前缘，根据断口上的标识线，将位于试件表面的，且为半椭圆形裂纹的长轴和短轴的交点确定为裂纹中心；以所述裂纹中心为测量零点，将水平测量线记为X轴，将垂直测量线记为Y轴，使X轴与表面重合，Y轴与裂纹的对称线重合；裂纹前缘距离Y轴最远点的横坐标为裂纹沿试件宽度方向的半长a；裂纹前缘距离X轴最远点的纵坐标为裂纹沿试件厚度方向的深度c；确定每条标识线对应的交变载荷循环数N，从最后一条标识线开始，各条标识线对应的循环数依次为Nm＝m·ΔN,Nm-1＝(m-1)·ΔN,…,N1＝ΔN，m为标识线条数。8.如权利要求1-7任一项所述的双向疲劳裂纹扩展速率...

【专利技术属性】
技术研发人员：贺小帆，董颖豪，曹淑森，李玉海，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京;11