金屬材料疲勞裂紋擴(kuò)展速率實(shí)驗(yàn)

1、一.金屬材料疲勞裂紋擴(kuò)展速率實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)室2007年3月金屬材料疲勞裂紋擴(kuò)展速率實(shí)驗(yàn)1 試驗(yàn)?zāi)康?了解疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)的基本原理2掌握金屬材料疲勞裂紋擴(kuò)展速率試驗(yàn)測(cè)定方法3掌握疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)測(cè)定裝置的使用方法4掌握疲勞裂紋擴(kuò)展數(shù)據(jù)處理方法2 基本原理結(jié)構(gòu)在交變載荷的作用下，其使用壽命分為裂紋形成壽命和裂紋擴(kuò)展壽命兩部分。裂紋形成壽命為由微觀缺陷發(fā)展到宏觀可檢裂紋所對(duì)應(yīng)的壽命，裂紋擴(kuò)展壽命則是由宏觀可檢裂紋擴(kuò)展到臨界裂紋而發(fā)生破壞這段區(qū)間的壽命，裂紋擴(kuò)展由斷裂力學(xué)方法確定。2.1疲勞裂紋擴(kuò)展速率 裂紋擴(kuò)展速率dN，即交變載荷每循環(huán)一次所對(duì)應(yīng)的裂紋擴(kuò)展量，在疲勞裂紋擴(kuò)展過(guò)程中，

2、dN不斷變化，每一瞬時(shí)的dadN即為裂紋長(zhǎng)度a隨交變載荷循環(huán)數(shù)N變化的a-N曲線在該點(diǎn)的斜率。裂紋擴(kuò)展速率dN受裂紋前緣的交變應(yīng)力場(chǎng)的控制，主要是裂紋尖端的交變應(yīng)力強(qiáng)度因子的范圍K和交變載荷的應(yīng)力比R。線彈性斷裂力學(xué)認(rèn)為，在應(yīng)力比不變的交變載荷的作用下，dN隨K的變化關(guān)系在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系上呈圖1所示的形狀。 log(da/dN)KthKclog (K )圖1 dadN-K曲線形狀dN-K曲線分成三個(gè)階段：低速擴(kuò)展段I、穩(wěn)定擴(kuò)展段II和快速擴(kuò)展段III，階段I存在的垂直漸進(jìn)線K=Kth稱為裂紋擴(kuò)展門檻值，當(dāng)K<Kth時(shí)裂紋停止擴(kuò)展，階段III存在的垂直漸進(jìn)線K=Kc為材料的斷裂韌度。階段II

3、I對(duì)應(yīng)的裂紋擴(kuò)展壽命在整個(gè)裂紋擴(kuò)展過(guò)程中所占的比例很小，對(duì)使用壽命的影響也很小，因此建立描述裂紋擴(kuò)展速率的公式時(shí)主要考慮裂紋擴(kuò)展的I、II階段。常用的描述裂紋擴(kuò)展速率的公式有Paris公式（式1）、Walker公式（式2）、Forman公式（式3）、Hartman公式（式4）、Klesnil公式（式5）、IAB公式（式6）等。dadN=C(K)n (1)ndadN=C(1-R)KmaxdadN=C(K)nm(2) (3) (4) (5) (6)Kc(1-R)-KndadN=C(K-Kth)ndadN=C(Kn-Kth)ndadN=C(Kn-Kth)Kc(1-R)-KParis公式由于形式簡(jiǎn)單，

4、一直得到廣泛的應(yīng)用，它能夠較好的描述裂紋擴(kuò)展的第II階段。Walker公式也主要用于描述裂紋擴(kuò)展的第II階段，它是Paris公式的改型，增加了對(duì)應(yīng)力比R的考慮。Forman公式可以更好的描述裂紋擴(kuò)展的第III階段。Hartman公式和Klesnil主要用于描述第I階段的裂紋擴(kuò)展規(guī)律。IAB公式可以全面的描述裂紋擴(kuò)展的三個(gè)階段，但公式的復(fù)雜性就定了它在工程應(yīng)用中不多。2.2 影響疲勞裂紋擴(kuò)展的因素1與材料有關(guān)的影響因素（1）材料產(chǎn)品的類型。如板材、擠壓件、鍛件等。對(duì)于相同的材料，若產(chǎn)品類型不同，則dadN會(huì)有明顯的差別。（2）熱處理工藝。材料成分相同，但熱處理工藝不同，會(huì)導(dǎo)致材料的微觀組織的差別

5、，從而影響材料對(duì)裂紋擴(kuò)展的阻力，造成dN的不同。（3）厚度。由相同材料制成的構(gòu)建，厚度不同，則在裂紋尖端附近材料處于不同的應(yīng)力狀態(tài)，隨著厚度的增加，dN呈加大的趨勢(shì)。2與環(huán)境有關(guān)的因素（1）腐蝕介質(zhì)。腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)展包含兩部分裂紋擴(kuò)展機(jī)制，應(yīng)力腐蝕作用下的裂紋長(zhǎng)度隨時(shí)間的擴(kuò)展速率和交變載荷所引起的疲勞裂紋擴(kuò)展。通常腐蝕條件下的裂紋擴(kuò)展速率會(huì)高于惰性氣體環(huán)境（干燥空氣）中的疲勞裂紋擴(kuò)展速率，并與加載頻率和波形有關(guān)。（2）溫度。因?yàn)椴牧系乃苄孕袨榕c溫度有關(guān)，在較高的溫度下，循環(huán)塑性變形易于進(jìn)行，dadN將增大。高溫下的疲勞裂紋擴(kuò)展速率也與加載頻率和波形有密切關(guān)系。（3）加載頻率和波形。在惰性環(huán)境（

6、干燥氣體）和室溫條件下，在常用的加載頻率內(nèi)，頻率對(duì)dadN的影響不顯著。在惰性環(huán)境與室溫下載荷波形對(duì)dN的影響也不明顯。在相同的腐蝕介質(zhì)和（或）高溫條件下，通常頻率越低，dadN越大，且變化比較顯著，波形的影響也不可忽略，一次循環(huán)中較大在和施加的時(shí)間越長(zhǎng)，則dN越大。 3 試驗(yàn)裝置和試樣本試驗(yàn)是測(cè)定金屬材料在試驗(yàn)室空氣環(huán)境下裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展階段的裂紋擴(kuò)展速率。3.1 試驗(yàn)裝置疲勞裂紋擴(kuò)展速率試驗(yàn)允許在不同類型的拉壓疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，但必須滿足：1）使試樣受載對(duì)稱分布；2）在靜態(tài)下校正載荷，其誤差不超過(guò)±1%，示值變動(dòng)度不超過(guò)1%；在動(dòng)態(tài)下校正載荷，其誤差不超過(guò)±3%；3）帶有準(zhǔn)

7、確的計(jì)數(shù)裝置。CT試樣的加載裝置為U型夾具，其材料的條件屈服強(qiáng)度0.2應(yīng)大于980.7MNm2，銷釘與銷孔間隙應(yīng)設(shè)計(jì)得使摩擦減至最小。CCT試樣的加載裝置應(yīng)保證在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中試樣工作區(qū)域內(nèi)應(yīng)力均勻分布，為限制屈曲，薄板試樣必須采用約束導(dǎo)板。3.2 試樣金屬材料的疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)可以采用標(biāo)準(zhǔn)CT（圖2）試樣或標(biāo)準(zhǔn)CCT（圖3）試樣。試樣厚度：對(duì)于CT試樣而言，推薦厚度范圍為W20BW4（W25mm）；對(duì)于CCT試樣，推薦試樣厚度上限為W，所必要的最小厚度要能避免屈曲。試樣寬度：為測(cè)得有效的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，應(yīng)根據(jù)材料的條件屈服強(qiáng)度0.2以及預(yù)期的最大應(yīng)力強(qiáng)度因子的極限值KmaxL和CT試樣的a或CCT

8、試樣的2a極限值選擇試樣的最小可寬度W。試樣切口：CT試樣的切口長(zhǎng)度an應(yīng)不小于0.2W。CCT試樣的切口前緣到中心的距離an應(yīng)不小于中心孔徑的3倍，當(dāng)采用柔度法測(cè)量裂紋長(zhǎng)度時(shí)，建議中心裂紋長(zhǎng)度2an不小于0.2W。試樣切口可通過(guò)銑切、線切割和其他方法加工而成。試樣不可避免地會(huì)存在殘余應(yīng)力，它有可能引起疲勞裂紋擴(kuò)展速率的變化。通過(guò)選擇合適的試樣形狀和尺寸及合理的試樣加工與熱處理工藝等，使殘余應(yīng)力對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展速率的影響盡量減小。疲勞裂紋擴(kuò)展速率并非總是與試樣的幾何形狀無(wú)關(guān)，試樣厚度的變化對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展速率的影響有可能增大、減小或保持不變，因此，對(duì)試樣的厚度效應(yīng)應(yīng)當(dāng)引起注意。2- 0.25W +

9、0.05圖2 標(biāo)準(zhǔn)CT試樣圖2- W /3圖3 W75mm的標(biāo)準(zhǔn)CCT試樣圖4 試驗(yàn)過(guò)程4.1 試樣尺寸測(cè)量用精度為0.01mm的量具在試樣的韌帶區(qū)域三點(diǎn)處測(cè)量厚度B，取平均值。用精度不低于0.001W的量具在試樣的裂紋所在截面附近測(cè)量寬度W。4.2 預(yù)制疲勞裂紋預(yù)制疲勞裂紋時(shí)應(yīng)使最大載荷Pmax的誤差控制在±5%以內(nèi)，預(yù)制疲勞裂紋最后一級(jí)的最大載荷不得超過(guò)開(kāi)始記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)的最大載荷值，須把較高的載荷分級(jí)降到試驗(yàn)最大載荷，每級(jí)下降率不得大于20%。為防止試驗(yàn)時(shí)的瞬變效應(yīng)，'為上一級(jí)'0.2)2，其中Kmax每一級(jí)加載范圍應(yīng)使裂紋長(zhǎng)度擴(kuò)展量不小于()(Kmax載荷最后

10、的最大應(yīng)力強(qiáng)度因子Kmax值。在前后表面上從切口頂端到疲勞裂紋尖端測(cè)量裂紋長(zhǎng)度（CCT試樣前后表面均要測(cè)左右兩個(gè)裂紋長(zhǎng)度），測(cè)量應(yīng)準(zhǔn)確到0.1mm或0.002W中較大的一個(gè)，所測(cè)各個(gè)裂紋長(zhǎng)度均應(yīng)大于0.1B和缺口寬度h，但不得小于2.5mm。若前后表面裂紋長(zhǎng)度測(cè)量值之差超過(guò)0.25B或左右兩側(cè)裂紋長(zhǎng)度測(cè)量值之差超過(guò)0.025W，則試驗(yàn)無(wú)效。4.3 疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)在試驗(yàn)載荷下記錄若干個(gè)循環(huán)數(shù)及其對(duì)應(yīng)的裂紋長(zhǎng)度。試驗(yàn)中應(yīng)注意：1）應(yīng)保持載荷穩(wěn)定和避免過(guò)載遲滯效應(yīng)；2）當(dāng)存在環(huán)境影響時(shí)，必須考慮載荷水平、頻率和波形的影響；3）若長(zhǎng)時(shí)間中斷試驗(yàn)，而中斷后的裂紋擴(kuò)展速率比中斷前小，則試驗(yàn)無(wú)效；4）試驗(yàn)

11、中任何一點(diǎn)平均穿透疲勞裂紋與試樣對(duì)稱平面的偏離大于5度，此點(diǎn)數(shù)據(jù)無(wú)效；5）在試驗(yàn)中某一點(diǎn)處前后表面裂紋長(zhǎng)度測(cè)量值相差超過(guò)0.025W，則此點(diǎn)數(shù)據(jù)無(wú)效。4.4 裂紋長(zhǎng)度測(cè)量裂紋長(zhǎng)度的測(cè)量可以采用目測(cè)法、柔度法、點(diǎn)位法等，這里采用目測(cè)法進(jìn)行測(cè)量。用目測(cè)法或等效的方法測(cè)量疲勞裂紋長(zhǎng)度時(shí)，測(cè)量精度應(yīng)不低于0.1mm及0.002W中較大的一個(gè)。測(cè)量裂紋長(zhǎng)度最好在不中斷試驗(yàn)的情況下進(jìn)行，若需中斷試驗(yàn)測(cè)量時(shí)，應(yīng)滿足：1）中段時(shí)間應(yīng)減至最少；2）為增加裂紋尖端的清晰度，可加靜載，其值應(yīng)小于最大試驗(yàn)載荷。裂紋增量a的測(cè)量間隔應(yīng)使dN-K數(shù)據(jù)點(diǎn)接近均勻分布。在任何情況下，最小的a應(yīng)為0.25mm或10倍于裂紋長(zhǎng)度

12、測(cè)量的精度，取兩者中的較大值。用目測(cè)法測(cè)量裂紋長(zhǎng)度時(shí)，當(dāng)B小于0.15時(shí)，只需在一個(gè)表面上測(cè)量裂紋長(zhǎng)度，對(duì)CCT試樣要在左右兩側(cè)的兩裂紋長(zhǎng)度，取平均值。當(dāng)B大于0.15時(shí)，則需在前后兩個(gè)表面上測(cè)量裂紋長(zhǎng)度，取平均值，對(duì)于CCT試樣則需要在前后表面的左右兩側(cè)測(cè)量四個(gè)裂紋長(zhǎng)度，取平均值。5 試驗(yàn)結(jié)果處理5.1 裂紋曲率的修正試驗(yàn)結(jié)束之后檢驗(yàn)斷口，以確定裂紋前緣曲率范圍，若需要進(jìn)行曲率修正，且裂紋前緣線條明顯，則至少在兩個(gè)位置（例如預(yù)制裂紋和極限裂紋）測(cè)量厚度方向(4)B、(2)B、(34)B三點(diǎn)處的裂紋長(zhǎng)度，其平均值與試驗(yàn)記錄的相應(yīng)裂紋長(zhǎng)度之差即為曲率修正量。在任何一個(gè)位置上，由平均裂紋長(zhǎng)度計(jì)算出

13、的應(yīng)力強(qiáng)度因子和由試驗(yàn)裂紋長(zhǎng)度計(jì)算出的應(yīng)力強(qiáng)度因子相差大于5%，則需要進(jìn)行曲率修正。裂紋曲率修正量不是一個(gè)恒量，當(dāng)它隨裂紋伸長(zhǎng)而單調(diào)增加或減少時(shí)，則采用線性內(nèi)插法修正中間各數(shù)據(jù)點(diǎn)。5.2 疲勞裂紋擴(kuò)展速率的確定由(a,N)數(shù)據(jù)得到dadN時(shí)，建議采用遞推多項(xiàng)式方法進(jìn)行局部擬合求導(dǎo)，以確定疲勞裂紋擴(kuò)展速率和裂紋長(zhǎng)度的擬合值隊(duì)任一試驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)(i)即前后各幾點(diǎn)，共(2n+1)個(gè)連續(xù)數(shù)據(jù)點(diǎn)，采用如下二次多項(xiàng)式進(jìn)行擬合求導(dǎo)：式中，-1Ni-C1Ni-C1i=b0+b1 a+b C2 C 22Ni-C111+1，C1=(Ni+n+Ni-n)，C2=(Ni+n-Ni-n)，ai-naai+n C2222(7)系數(shù)b0、b1、b2是在(ai-n,ai+n)區(qū)間按最小二乘法（即使裂紋長(zhǎng)度觀測(cè)值與擬i是對(duì)應(yīng)于循環(huán)數(shù)Ni上合值之間的偏差平方和最?。┐_定的回歸參數(shù)。擬合值a的擬合裂紋長(zhǎng)度。參數(shù)C1、C2是用于變換輸入數(shù)據(jù)，以避免在確定回歸參數(shù)時(shí)的數(shù)值計(jì)算困難。在Ni處的裂紋擴(kuò)展速率由（7）式求導(dǎo)而得：2b(N-C)bda=1+2i21C1C2dNaii計(jì)算與dN值相對(duì)應(yīng)的K。 利用對(duì)應(yīng)于Ni的擬合裂紋長(zhǎng)度a(8)5.3 應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍的計(jì)算對(duì)CT試樣，K=PB(2+)(0.886+4.64+13.322+14.723-5.64) 1-(9)式中：=a。對(duì)于a大于或等于0.2表