一种孔边表面缺陷检出概率试验的试件设计及试验方法技术

本发明专利技术涉及一种孔边表面缺陷检出概率试验的试件设计及试验方法，可实现裂纹样本的高效制备、提高试验效率。在多孔平板拉伸试件上沿载荷施加方向排布四个孔，从而在试验件上造成应力集中以作为裂纹萌生的潜在位置；依据PoD曲线上可能存在漏检的样本区间，确定试验所需要的裂纹长度区间[a

【技术实现步骤摘要】
一种孔边表面缺陷检出概率试验的试件设计及试验方法


[0001]本专利技术涉及航空维修领域，是一种孔边表面缺陷检出概率(Probability of Detection,PoD)试验的试件设计及试验方法。

技术介绍

[0002]航空发动机涡轮部件长期工作在高温、高转速极端服役条件下，既要承受交变离心大载荷，又要叠加盘心
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盘缘大温差导致的热应力，服役条件极为恶劣。此外，轮盘及盘环类零件通常由于螺栓连接、通气等设计要求需开孔，造成应力集中，极易诱发疲劳失效。因此在发动机进行返厂检修时，通常会进行无损检测，以降低孔边应力集中部位服役期间因疲劳断裂导致的失效风险。为评估返厂维修中所采用的检测手段的有效性，必须开展缺陷检测试验以积累大量的裂纹样本从而量化无损检测的随机性，而直接采用发动机的零部件制备大量的裂纹样本会使成本极其高昂。因此，有必要采用一种高效试件制备方法，其制备过程需能够再现孔边缺陷的形成过程，且在满足试验所需的大量裂纹的前提下尽可能降低成本。这对无损探伤检测试验的开展有重要意义。
[0003]对孔边表面裂纹PoD试验试件的制备存在以下显著问题：(1)如何在满足试验要求的所需最小裂纹数量条件下，尽可能减少制备试件的数量以降低成本、加快试验速度，同时能够防止试验过程中试件断裂以提高试验成功率。(2)如何在提高裂纹样本获取效率的同时保证试验中相邻孔的疲劳裂纹的扩展不会相互干扰。(3)如何确保检测裂纹样本与真实零部件服役条件下产生的裂纹形态一致。在查阅了已有专利和文献后，并未发现可以能够解决上述三个核心问题的PoD试验试件制备的方法，因此有必要设计一种孔边表面裂纹PoD试验的多孔平板拉伸试件设计及试验方法。
[0004]专利技术专利CN109612806A设计了一种适用于表面PoD的试件，但是其并没有清晰描述电火花预制缺口的方式、裂纹长度的确定方法等试件制备和试验方法，而试件两侧萌生裂纹长度不同、保证试件在疲劳试验中不发生阶段断裂是实现多孔平板拉伸试件高效制备的重要条件；同时四方型的打孔方式会使得两孔内侧萌生的裂纹之间相互影响，存在试验件断裂导致有效样本数量减少的风险。
[0005]专利技术专利CN104392122A公开了一种裂纹PoD的概率寿命评估方法，该专利的主要特征在于建立相应的PoD模型并进行概率寿命评估。
[0006]现有文献“李政鸿,徐武,张晓晶,余音.多孔多裂纹平板的疲劳裂纹扩展试验与分析方法[J].航空学报,2018,39(07):154
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162.”所采用的试件具有多孔特征，但是其采用多孔试件的目的在于研究多裂纹扩展之间的影响，因此试件设计需要裂纹扩展过程中相互干扰；
[0007]现有指导手册“Annis C,Bray E,Hardy H,et al.Nondestructive evaluation system reliability assessment[J].United States Department of Defense,Wright
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Patterson AFB,Handbook MIL
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HDBK
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1823,1999.”中给出了无损检测的相关测试流程和评估程序，其中给出了一种在试件两侧大圆弧处预制穿透型缺口并制备裂纹样本的方法。穿
透型缺口在疲劳载荷作用下，将在试件两侧表面产生长度基本一致的裂纹样本，从而降低了单个试件裂纹样本的多样性，降低了裂纹样本的获取效率。

技术实现思路

[0008]本专利技术解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种孔边表面裂纹PoD试验的多孔平板拉伸试件设计及试验方法，满足PoD试验需求，且利用多孔平板拉伸试件有效增加单个试件上的裂纹数量，实现了孔边表面裂纹PoD试验的裂纹样本高效制备，有效提高了检测裂纹的获取效率。本专利技术的设计了一种多孔平板拉伸试件，给出了孔边表面裂纹无损检测随机性量化的试验方法，有效提高了检测裂纹的制备效率，特别是表面裂纹PoD评价方向。
[0009]本专利技术的技术解决方案是：一种孔边表面缺陷检出概率试验的试件设计及试验方法，包括如下步骤：
[0010]步骤1：多孔平板拉伸试件上沿载荷施加方向排布四个孔，在试验件上造成应力集中部位以作为裂纹萌生的潜在位置，应力集中部位相互之间的裂纹扩展行为互不影响，每个试件单面有8处应力集中部位，双面最多可获取16个裂纹样本，极大地提高了裂纹样本制备效率；
[0011]步骤2：根据所采用无损检测技术PoD曲线上可能存在漏检的样本区间确定所需要的裂纹长度区间[a
l
,a
u
]，a
l
、a
u
分别为裂纹长度区间的上下界。同时通过裂纹长度反算疲劳试验所需载荷，通过三维裂纹扩展有限元模拟，计算得到临界裂纹长度a
IC
，并设置a
u
≤0.8a
IC
，确保[a
l
,a
u
]处于稳态裂纹扩展阶段，当试件某处裂纹长度达到a
u
时停止加载。如不满足上述要求，应对试件孔径、考核段宽度等几何尺寸及疲劳载荷进行调整。
[0012]步骤3：预先根据裂纹样本数量需求，制备多孔平板拉伸试件；为加快试验速度、提高裂纹样本制备效率，在试件单面的孔边应力集中部位采用电火花按照斜45
°
方向切割预制缺口。
[0013]步骤4：开展疲劳裂纹扩展试验，通过疲劳载荷加载在孔边表面产生疲劳裂纹，在疲劳试验的过程中实时观测裂纹长度，在疲劳试验后通过扫描电镜或光学显微镜测量裂纹长度并统计所获得的裂纹样本数量，重复试验直至裂纹样本数量满足给定置信度下估计母体百分位值的最少样本个数判据。
[0014]进一步的，所述步骤1中，多孔平板拉伸试件的四个孔沿载荷施加方向排列，孔沿加载方向排列目的是不影响孔边垂直加载方向裂纹扩展路径上的应力分布，以保证多孔结构设计对孔边裂纹扩展行为不造成附加影响；同时多孔结构可产生的应力集中部位多，能够高效获取裂纹样本。
[0015]进一步的，所述步骤2中，为保证PoD模型在较小缺陷尺寸处PoD取值接近0、在较大尺寸处PoD取值接近1的特征，需确定合适的裂纹长度区间[a
l
,a
u
]，使得缺陷在小尺寸处及大尺寸处均有一定数量的数据样本，并通过裂纹长度a
u
反算疲劳试验所需载荷。同时，为防止疲劳试验过程中试件发生断裂而造成裂纹样本失效，采用裂纹分析软件进行三维裂纹扩展数值模拟得到临界裂纹长度a
IC
，并设定疲劳裂纹长度达到80％a
IC
时停止试验，能够最大程度上，以避免材料分散性导致的试验件断裂；
[0016]进一步的，所述步骤3中，多孔平板拉伸试件采用电火花在试件一侧的孔边应力集
中部位按照斜45
°
方向切割预制缺口，单面预制缺口和按斜45
°<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种孔边表面缺陷检出概率试验的试件设计及试验方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：多孔平板拉伸试件上沿载荷施加方向排布四个孔，在试验件上造成应力集中以作为裂纹萌生的潜在位置，应力集中部位相互之间的裂纹扩展行为互不影响，每个试件最多获取16个裂纹样本；步骤2：根据所采用无损检测技术缺陷检出概率PoD曲线上可能存在漏检的样本区间确定所需要的裂纹长度区间[a
l
,a
u
]，a
l
、a
u
分别为裂纹长度区间的上下界，同时通过裂纹长度反算疲劳试验所需载荷，通过有限元模拟软件开展三维裂纹扩展模拟，计算得到临界裂纹长度a
IC
，并设置a
u
≤0.8a
IC
，确保[a
l
,a
u
]处于稳态裂纹扩展阶段，当试件某处裂纹长度达到a
u
时停止加载；步骤3：预先根据裂纹样本数量需求，制备多孔平板拉伸试件；为加快试验速度、提高裂纹制备效率，在试件一侧的孔边应力集中部位采用电火花按照与水平面的夹角为斜45
°
方向切割预制缺口；步骤4：开展疲劳裂纹扩展试验，通过疲劳载荷加载获得与孔边裂纹形态一致的裂纹，在疲劳试验的过程中实时观测裂纹长度，在疲劳试验后通过扫描电镜或光学显微镜测量裂纹长度并统计所获得的裂纹样本数量，重复试验直至裂纹样本数量满足给定置信度下估计母体百分位值的最少样本个数判据。2.根据权利要求1所述的孔边表面缺陷检出概率试验的试件设计及试验方法，其特征在于：所述步骤1中，多孔平板拉伸试件的四个孔沿载荷施加方向排列，孔沿加载方向排列目的是不影响孔边垂直加载方向裂纹扩展路径上的应力分布，以保证多孔结构设计对孔边裂纹扩展行为不造成附加影响；同时多孔结构产生的应力集中部位多，能够高效获取裂...

【专利技术属性】
技术研发人员：王荣桥，毛建兴，刘昱，胡殿印，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：