【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及材料分析测试，具体涉及一种考虑焊接残余应力影响的焊缝疲劳裂纹扩展门槛值测试方法。
技术介绍
1、焊接结构广泛应用于轨道交通车辆、船舶、海洋工程、桥梁等重大装备，而焊缝位置由于具有高值残余拉伸应力分布且易存在未熔合、夹渣等初始缺陷，是焊接结构抗疲劳性能最薄弱的环节；随着焊接结构服役工况条件愈发苛刻，避免焊接结构疲劳失效已成为重大工程装备在设计阶段予以重点考虑的问题。相应地，针对重大工程装备焊接结构中易疲劳失效的焊缝位置，科学、准确地获得其疲劳性能数据对于焊接结构的安全服役意义重大。
2、基于损伤容限设计思想的抗疲劳设计法是航空、轨道列车和海洋工程等领域重大工程装备进行焊接结构安全性设计的主要方法，该方法的基本出发点是承认结构中存在着一定尺寸的初始缺陷，然后依据损伤容限特性(主要包括承载特征)分析和材料性能的测试结果，判定一定尺寸初始缺陷的存在是否影响承载结构在规定服役条件下安全性。基于损伤容限设计思想的抗疲劳设计法可以保证重大工程装备焊接结构发挥更优异的综合性能和承载能力，降低制造和运维成本。
3、疲劳裂纹扩展门槛值δkth是基于损伤容限思想抗疲劳设计的重要指标，对于焊接结构而言，焊缝疲劳裂纹扩展门槛值的准确性直接决定着焊接结构的使用可靠性，焊缝疲劳裂纹扩展门槛值也是研究设计人员重点测试的疲劳寿命评估参数。尽管如此，在各个行业领域应用的焊接结构仍会在服役过程中出现大量疲劳断裂，往往造成严重经济损失，对运营安全构成重大威胁，对承载结构运维提出极大挑战。有鉴于此，对于焊接结构中焊缝材料疲劳裂纹扩展
4、焊缝材料疲劳裂纹扩展门槛值δkth的定义为：焊缝疲劳裂纹扩展速率da/dn等于10-7mm/cycle时对应的δk值，该值由疲劳裂纹扩展速率测试试验中裂纹长度a和应力循环周次n的测量数值关系进一步计算得到。疲劳裂纹扩展门槛值测量试验是一个耗时较长的过程，需要不断通过控制载荷调整降低裂纹尖端的应力强度因子范围，直到对应的疲劳裂纹扩展速率足够小至10-7mm/cycle。疲劳裂纹长度可通过目测法或柔度法获得，其中，目测法需要测试人员反复测量和确认，柔度法利用裂纹开口位移规(cod规)测量并使用电脑记录存储。
5、gb/t 6398-2017金属材料疲劳试验疲劳裂纹扩展方法推荐了疲劳裂纹扩展门槛值测量流程，选取至少5个平均分布在10-7～10-6mm/cycle之中的log(da/dn)-logδk数据对，以log(da/dn)为自变量，logδk为因变量，采用线性回归方法拟合数据点，进而基于拟合结果提取10-7mm/cycle对应的δk值就是疲劳裂纹扩展速率门槛值测量值。上述方法测量疲劳裂纹扩展速率门槛值是基于柔度法，试验载荷设定为逐级降k模式。
6、上述测试过程中需操作疲劳试验机反复启动/停止，改变载荷再重启测试，会导致载荷变换附加的裂纹闭合效应；对于焊缝疲劳裂纹扩展速率门槛值而言，逐级改变测试载荷δk的过程未考虑焊接残余应力的影响。
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于提供一种考虑焊接残余应力影响的焊缝疲劳裂纹扩展门槛值测试方法，所述测试方法采用无损的残余应力测量方法测得焊缝残余应力的峰值并将其作为静载，在对ct试样进行试验时采用柔度法和降k法，基于柔度法测量裂纹长度变化，降k法在降应力强度因子δk过程中保持平均载荷恒定，开展疲劳裂纹扩展速率门槛值测试，该方法的测量结果对应着实际焊缝的疲劳裂纹扩展门槛值。
2、本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：
3、一种考虑焊接残余应力影响的焊缝疲劳裂纹扩展门槛值测试方法，包括：
4、步骤一：采用无损残余应力检测方法测量焊缝位置的残余应力分布，获取焊接残余应力峰值；通过机械加工方法在焊接接头制备紧凑拉伸(ct)试样，而且测试试样的缺口位于焊缝中心线上；
5、步骤二：在疲劳试验机上安装根据步骤一制备的ct试样并预制疲劳裂纹；预制完成疲劳裂纹后，设置加载方式为恒静载降k法，所述恒静载降k法包括利用柔度法和降k法，基于柔度法测量裂纹长度变化，降k法在降δk过程中保持平均载荷恒定；其中平均载荷值等于步骤一中测得的焊缝残余应力峰值，从而开展疲劳裂纹扩展速率门槛值测试，试验载荷采用应力强度因子δk控制；
6、步骤三：通过计算获得焊缝ct试样裂纹尖端应力强度因子δk和焊缝ct试样疲劳裂纹扩展速率da/dn，在保持恒定平均载荷条件下，逐级降低应力强度因子δk，将测得的δk-da/dn数据对在双对数坐标系下进行最小二乘法线性回归拟合，依据拟合结果，对应于10-7mm/cycle的应力强度因子δk值作为焊缝疲劳裂纹扩展门槛值δkth。
7、进一步的，步骤一中的焊接残余应力峰值采用以x射线衍射法或压痕法检测。
8、进一步的，在疲劳试验机上安装步骤一制备的ct试样并预制疲劳裂纹具体包括：在疲劳试验机上安装步骤一制备的ct试样和裂纹开口位移规(cod规)，在测试软件中输入试样尺寸、焊缝材料力学性能属性参数，进行疲劳预加载，通过调整计算机软件中输入的焊缝材料弹性模量值使采用柔度法获得的裂纹长度与实际裂纹长度相一致。
9、进一步的，步骤三中所述应力强度因子δk和焊缝ct试样疲劳裂纹扩展速率da/dn获取方式如下：
10、根据公式(1)计算应力强度因子δk：
11、
12、其中，p为外载，b为ct试样的厚度，α＝a/w,θ＝πa/2w，a和w分别为ct试样的疲劳裂纹长度和试样宽度。
13、疲劳裂纹扩展速率da/dn表示循环一次的疲劳裂纹扩展量，根据公式(2)计算：
14、da/dn＝δa/n (2)
15、进一步的，步骤二中采用柔度法计算试样裂纹长度如下式所示：
16、
17、
18、其中，p为外载，b为ct试样的厚度，a和w分别为ct试样的疲劳裂纹长度和试样宽度，e为焊缝材料的弹性模量，ν为cod规测量点的位移，c1～c5为与cod规测量位置相关的计算常数，a为疲劳裂纹长度。
19、进一步的，在步骤三的试验过程中，通过控制试验载荷δp值以实现疲劳裂纹尖端应力强度因子范围δk值的改变，应力强度因子δk与试验载荷δp呈线性关系，通过计算机控制试验载荷的平均值恒定，并通过计算机控制应力强度因子δk以恒定速率缓慢减小；其中，所述试验载荷平均值设定为步骤一测得的焊缝残余应力峰值。
20、与现有技术相比，本专利技术的技术方案所带来的有益效果是：
21、a)不同于国家标准推荐的采用逐级降k法测量金属材料疲劳裂纹扩展门槛值，该方法可针对性地测得考虑焊接残余应力影响下的疲劳裂纹扩展门槛值；
22、b)该方法测量过程中，平均载荷不变条件下δk逐级降低，无需令疲劳试验机中止试验，可有效避免本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.焊缝疲劳裂纹扩展门槛值测试方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的焊缝疲劳裂纹扩展门槛值测试方法，其特征在于，步骤一中的焊接残余应力峰值采用以X射线衍射法或压痕法检测。
3.根据权利要求1所述的焊缝疲劳裂纹扩展门槛值测试方法，其特征在于，在疲劳试验机上安装步骤一制备的CT试样并预制疲劳裂纹具体包括：在疲劳试验机上安装步骤一制备的CT试样和裂纹开口位移规，在测试软件中输入试样尺寸、焊缝材料力学性能属性参数，进行疲劳预加载，通过调整计算机软件中输入的焊缝材料弹性模量值使采用柔度法获得的裂纹长度与实际裂纹长度相一致。
4.根据权利要求1所述的焊缝疲劳裂纹扩展门槛值测试方法，其特征在于，步骤三中所述应力强度因子ΔK和焊缝CT试样疲劳裂纹扩展速率da/dN获取方式如下：
5.根据权利要求1所述的焊缝疲劳裂纹扩展门槛值测试方法，其特征在于，步骤二中采用柔度法计算试样裂纹长度如下式所示：
6.根据权利要求1所述的焊缝疲劳裂纹扩展门槛值测试方法，其特征在于，在步骤三的试验过程中，通过控制试验载荷ΔP值以实现疲劳裂纹尖端应力
...【技术特征摘要】
1.焊缝疲劳裂纹扩展门槛值测试方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的焊缝疲劳裂纹扩展门槛值测试方法，其特征在于，步骤一中的焊接残余应力峰值采用以x射线衍射法或压痕法检测。
3.根据权利要求1所述的焊缝疲劳裂纹扩展门槛值测试方法，其特征在于，在疲劳试验机上安装步骤一制备的ct试样并预制疲劳裂纹具体包括：在疲劳试验机上安装步骤一制备的ct试样和裂纹开口位移规，在测试软件中输入试样尺寸、焊缝材料力学性能属性参数，进行疲劳预加载，通过调整计算机软件中输入的焊缝材料弹性模量值使采用柔度法获得的裂纹长度与实际裂纹长度相一致。
4.根据权利要求1所述的焊缝疲劳裂纹扩...
【专利技术属性】
技术研发人员：梁行，刘秀国，邓彩艳，龚宝明，邓冲，刘雅荣，胡伟韬，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：
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