基于断口定量反推和数值分析的材料初始损伤评估方法技术

本发明专利技术属于材料初始损伤评估技术领域，涉及一种材料初始损伤的评估方法，具体涉及一种利用光滑试样开展疲劳试验，利用断口定量反推和数值分析的方法评估、表征材料材的材质和加工工艺的初始损伤。本发明专利技术利用光滑试样，消除结构细节的影响，不但方便试样加工，而且可以直接评估材料中的缺陷或加工工艺效果；另外，利用断口定量反推的方法获得评估材料初始损伤所需的数据，不需要裂纹扩展的监测过程，试验过程方便、易行，可以明显节约试验周期和经费。解决了直接利用已有的评估结构细节原始疲劳质量方法评估材料初始损伤存在的误差大甚至不可行的问题，提高了材料初始损伤的估算精度。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术属于材料初始损伤评估
，涉及一种材料初始损伤的评估方法，具体涉及一种利用光滑试样开展疲劳试验，利用断口定量反推和数值分析的方法评估、表征材料材的材质和加工工艺的初始损伤。本专利技术利用光滑试样，消除结构细节的影响，不但方便试样加工，而且可以直接评估材料中的缺陷或加工工艺效果；另外，利用断口定量反推的方法获得评估材料初始损伤所需的数据，不需要裂纹扩展的监测过程，试验过程方便、易行，可以明显节约试验周期和经费。解决了直接利用已有的评估结构细节原始疲劳质量方法评估材料初始损伤存在的误差大甚至不可行的问题，提高了材料初始损伤的估算精度。【专利说明】
本专利技术属于材料初始损伤评估
，涉及一种材料初始损伤的评估方法，具体涉及一种利用光滑试样开展疲劳试验，利用断口定量反推和数值分析的方法评估、表征材料材的材质和加工工艺的初始损伤。
技术介绍
材料的初始损伤与损伤容限设计中原始疲劳质量有一定的相似性，但其内涵又有不同。材料中必然存在某些微观缺陷(如夹杂、气孔、位错等)甚至宏观缺陷；材料在加工成构件或试样时也难免产生各种表面或内部加工缺陷(如划伤、刀痕、烧伤、焊接缺陷等)。将不包括形状因素的材料、工艺相关的损伤和缺陷定义为材料的初始损伤。材料、几何因素、工艺状态、装配工艺状态相关的统称为原始制造状态，又称为原始疲劳质量。原始疲劳质量是基于损伤容限的思想提出的。损伤容限是指结构及材料在正常工作载荷下，仍然保证工作安全可靠所容许的最大损伤程度或大小。损伤容限设计思想中的初始裂纹，就是指把这些存在于构件中的初始缺陷综合等效地归结为一个非实体的当量裂纹长度％，称之为当量初始裂纹长度，并以此作为表征构件质量的参量，因此称之为当量初始质量。aM虽是一个假设的裂纹长度，却又综合反映了构件中的材质以及加工制造质量，所以又将aM称为原始疲劳质量。这里的原始疲劳质量指的是结构细节的原是疲劳质量。目前原始疲劳质量一般用结构细节模拟试件在实测载荷谱或设计载荷谱下开展耐久性试验进行研究，结构细节模拟试件要求与结构具有相同的材料加工状态、与结构具有相同的厚度、细节尺寸和主要的平面几何尺寸。这种开展原始疲劳质量研究的方法，使有些大尺寸结构、以及先进材料结构很难实现，从而无法了解结构细节的原始疲劳质量。用这种方法研究结构细节的原始疲劳质量，不但对模拟试件要求高，试验复杂、周期长，而且这种方法得到的原始疲劳质量结果受多种因素的影响，相同的材料、不同的结构细节和加工工艺，其原始疲劳质量不同，通用性差。因此，有必要研究易于实现和通用性好的表征初始损伤的评估方法。目前已有的原始疲劳质量评估方法，主要是针对结构细节的原始疲劳质量进行评估,主要有两种评估方法。(I)断裂力学的方法首先开展结构细节模拟试件的耐久性试验，通过试验后试件断口的判读，获得建立原始疲劳质量(EIFS)分布所需的(a，N)数据集，a是相对小裂纹的特征裂纹尺寸，而N则为疲劳寿命。指定参考裂纹尺寸可以确定各应力水平下各试样对应\的N的数据。选定裂纹萌生时间分布模型。\不同，会得到不同的通用EIFS分布参数，变动\选择适当的优化准则，对通用EIFS分布参数进行优化。(2)断口定量反推的方法①通过对模拟件试验断口进行分析，找出断口形貌与载荷谱之间的对应关系，并从断口上实测出对应于载荷循环数Ni的裂纹长度ai ；②根据①测得的一组数据绘制裂纹长度与谱循环数的关系曲线，即疲劳裂纹扩展曲线，见图1。③拟合实测曲线，反推％:由断口实测数据只能绘制疲劳裂纹扩展曲线的一部分。要得到aM，必须根据载荷谱的特点，选择合适的力学模型编程序拟合实测曲线。利用与实测曲线相吻合的裂纹扩展规律将曲线反推到时间为零，即N=0，曲线与纵坐标的交点即为该构件的aM。上述两种评估原始疲劳质量的方法存在的局限性:断裂力学的方法:要获得评估所需的基础数据，用裂纹监测的方法非常繁琐，试验效率低。若通过断口特征与载荷谱关系判断的方法，很难获得较小裂纹处的(a，N)数据，而较小裂纹处的(a，N)数据是评估原始疲劳质量所必需的。另外，在评估原始疲劳质量的过程中，要根据(a，N)数据计算裂纹扩展速率，而(a，N)是裂纹扩展阶段的数据，当试验寿命以扩展寿命为主的情况下，用(a，N)数据计算裂纹扩展速率误差较小，而萌生寿命为主的情况下，用(a，N)数据计算裂纹扩展速率，会有较大的误差。断口反推的方法:利用扩展阶段的(a，N)数据直接反推原始疲劳质量aM，同样的问题，当试验寿命以扩展寿命为主的情况下，用(a，N)数据计算裂纹扩展速率误差较小，而萌生寿命为主的情况下，利用占很小比例的裂纹扩展阶段寿命与裂纹长度之间关系，来分析占有较大比例寿命反推到O的情况，在拟合反推的过程中，主观因素大，对数据的拟合要求高，会由于近源区数据点离开拟合曲线而较大的影响反推结果，甚至导致反推的aM为负值。为了评估材料的材质、表面完整性、加工质量或工艺效果(如焊接质量、滚压质量等)，常需要消除结构细节，直接利用光滑试样进行评估。利用光滑试样开展疲劳试验并对其初始损伤进行评估，直接利用传统的针对结构细节的原始疲劳质量评估方法会产生较大的误差，无法满足需要。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种评估误差小的。本专利技术的技术解决方案包括以下步骤:(I)利用光滑疲劳试样，在等幅谱下开展疲劳试验在控制应力、等幅载荷条件下开展疲劳试验，获得疲劳试验断口 ；( 2 )利用断口定量分析方法，获得裂纹扩展速率曲线表达式在疲劳试样断口上，从裂纹源区开始，沿着主裂纹扩展方向，测量不同裂纹长度处的疲劳条带间距，以不同裂纹长度处疲劳条带间距作为该位置裂纹扩展速率，得到不同裂纹长度处的裂纹扩展速率，对不同裂纹长度和对应的该位置处的疲劳条带间距值分别取自然对数，得到该断口的疲劳裂纹扩展速率曲线，裂纹扩展速率曲线的表达式:In (da/dN) = d+b In a (I)其中，d、b为拟合常数，a为距离源区的裂纹长度，长度单位为μ m, da/dN为裂纹扩展速率，单位:μ m/循环；Ca的单位也可用mm, da/dN的单位用mm/循环)。(3)利用裂纹扩展速率曲线表达式表征aid处的裂纹扩展速率将aid代入上述(I)式中，【权利要求】1.一种，其特征是，评估方法包括以下步骤: (I)利用光滑疲劳试样，在等幅谱下开展疲劳试验 在控制应力、等幅载荷条件下开展疲劳试验，获得疲劳试验断口 ； (2 )利用断口定量分析方法，获得裂纹扩展速率曲线表达式 在疲劳试样断口上，从裂纹源区开始，沿着主裂纹扩展方向，测量不同裂纹长度处的疲劳条带间距，以不同裂纹长度处疲劳条带间距作为该位置裂纹扩展速率，得到不同裂纹长度处的裂纹扩展速率，对不同裂纹长度和对应的该位置处的疲劳条带间距值分别取自然对数，得到该断口的疲劳裂纹扩展速率曲线，裂纹扩展速率曲线的表达式:In (da/dN) = d+b In a (I) 其中，d、b为拟合常数，a为距离源区的裂纹长度，长度单位为μπι，da/dN为裂纹扩展速率，单位:μ m/循环； (3)利用裂纹扩展速率曲线表达式表征aid处的裂纹扩展速率 将aid代入上述(I)式中，ln(da/dN)id = d+b In aid,则得到aid本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于断口定量反推和数值分析的材料初始损伤评估方法，其特征是，评估方法包括以下步骤：（1）利用光滑疲劳试样，在等幅谱下开展疲劳试验在控制应力、等幅载荷条件下开展疲劳试验，获得疲劳试验断口；（2）利用断口定量分析方法，获得裂纹扩展速率曲线表达式在疲劳试样断口上，从裂纹源区开始，沿着主裂纹扩展方向，测量不同裂纹长度处的疲劳条带间距，以不同裂纹长度处疲劳条带间距作为该位置裂纹扩展速率，得到不同裂纹长度处的裂纹扩展速率，对不同裂纹长度和对应的该位置处的疲劳条带间距值分别取自然对数，得到该断口的疲劳裂纹扩展速率曲线，裂纹扩展速率曲线的表达式：ln(da/dN)＝d+b ln a  （1）其中，d、b为拟合常数，a为距离源区的裂纹长度，长度单位为μm，da/dN为裂纹扩展速率，单位：μm/循环；（3）利用裂纹扩展速率曲线表达式表征aid处的裂纹扩展速率将aid代入上述（1）式中，ln(da/dN)id＝d+b ln aid，则得到aid位置的裂纹扩展速率： ( da / dN ) id = e ( d + b ln a id ) - - - ( 2 ) 其中aid为待评估的材料初始损伤值。（4）利用断口定量分析方法计算不同裂纹长度处的扩展寿命利用断口定量分析的方法，计算距疲劳试样断口源区最近出现疲劳条带位置a1之后裂纹稳定扩展区域的扩展寿命，得到不同裂纹长度对应的扩展寿命Np， N pn = Σ ( a n - a n - 1 ) / ( d a n d N n + da n - 1 dN n - 1 2 ) - - - ( 3 ) N p 2 = ( a 2 - a 1 ) / ( da 2 dN 2 + da 1 ...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：刘新灵，刘春江，赵凯，陈星，陶春虎，
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