疲勞試驗(yàn)中的標(biāo)識(shí)載荷技術(shù)實(shí)驗(yàn)

1、疲勞試驗(yàn)中的標(biāo)識(shí)載荷技術(shù)實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)室2007年3月疲勞試驗(yàn)中的標(biāo)識(shí)載荷技術(shù)實(shí)驗(yàn)1 試驗(yàn)?zāi)康?1) 掌握等幅疲勞試驗(yàn)中的標(biāo)識(shí)載荷施加技術(shù)(2) 掌握斷口的判讀技術(shù)(3) 掌握相對(duì)小裂紋擴(kuò)展速率處理方法2 基本原理2.1 相關(guān)概念(1) 裂紋萌生壽命如試驗(yàn)一所述，疲勞分為裂紋萌生和裂紋擴(kuò)展兩個(gè)階段，總壽命等于裂紋萌生壽命和裂紋擴(kuò)展壽命之和。其中，裂紋萌生壽命指的是裂紋擴(kuò)展到指定尺寸(通常為工程可檢裂紋，常取為0.8mm)對(duì)應(yīng)的交變應(yīng)力循環(huán)數(shù)，它在總壽命中往往占較大比例，為了得到裂紋萌生壽命，必須得到疲勞斷口裂紋尺寸a和對(duì)應(yīng)的循環(huán)數(shù)N。(2) 疲勞斷口的特點(diǎn)如果在電子顯微鏡下觀察，在

2、放大10000倍以上時(shí)，能夠看到每次循環(huán)在斷口上形成的“貝殼狀”或“海灘狀”疲勞條紋，見(jiàn)圖1。圖1 疲勞斷口上的疲勞條紋一個(gè)交變應(yīng)力循環(huán)就形成一個(gè)疲勞條紋，從疲勞源到某條紋的距離就是裂紋尺寸a，a與交變應(yīng)力作用次數(shù)一一對(duì)應(yīng)，如果能夠準(zhǔn)確測(cè)量出所有的(a，N)數(shù)據(jù)對(duì)就能夠得到試件在該交變應(yīng)力作用下的損傷累積信息。但由于疲勞壽命長(zhǎng)，每次循環(huán)造成了條紋寬度往往在1m以下，條紋間距小、數(shù)目多，測(cè)量上述(a，N)數(shù)據(jù)對(duì)是非常困難的，需要尋找一種相對(duì)簡(jiǎn)單和快速的方法能夠在斷口上留下在低倍放大鏡下即可判讀的標(biāo)識(shí)線。2.2 標(biāo)識(shí)載荷介紹(1) 標(biāo)識(shí)載荷及其作用在斷口上能夠形成比較容易判讀的疲勞條紋的載荷稱為標(biāo)

3、識(shí)載荷，該載荷的特點(diǎn)有： 能夠在斷口上形成可判讀的疲勞條紋； 必須緊接在原始疲勞應(yīng)力之后，并與原始疲勞應(yīng)力一起構(gòu)成按一定循環(huán)次數(shù)循環(huán)的兩級(jí)載荷，標(biāo)識(shí)載荷的循環(huán)次數(shù)通常取為使用壽命的1/101/20； 必須有一定的循環(huán)次數(shù)，如果循環(huán)次數(shù)過(guò)少，無(wú)法在斷口上形成能判讀的條紋； 含有標(biāo)識(shí)載荷的載荷譜與原譜的損傷等效，標(biāo)識(shí)載荷不能造成明顯的疲勞損傷。(2) 施加方法通常采取降載法，即在試驗(yàn)載荷譜中增加循環(huán)次數(shù)較多的低載荷形成含標(biāo)識(shí)載荷的二級(jí)塊譜，“低載荷”可以是最大載荷不變，提高最小載荷值；或者均值不變，降低幅值。典型的標(biāo)識(shí)載荷循環(huán)見(jiàn)圖2。圖2 一種典型的標(biāo)識(shí)載荷循環(huán)2.3 斷口判讀(1) 裂紋長(zhǎng)度的定

4、義裂紋長(zhǎng)度定義為在垂直于試件軸線的平面內(nèi)，裂紋前緣到裂紋源之間的直線距離；對(duì)于多裂紋情況，通常只關(guān)心主裂紋長(zhǎng)度。(2) 斷口判讀的原理在上述塊譜作用下，試件斷口上會(huì)出現(xiàn)明顯的標(biāo)識(shí)線，其中高載會(huì)在斷口上留下在顯微鏡下呈黑色或灰色的“暗條紋”，而高載后的小載多次作用則在斷口上留下在顯微鏡下呈白色的“亮條紋”，相鄰兩條暗條紋間有一條亮條紋，見(jiàn)圖3所示。從而可以通過(guò)亮條紋或暗條紋的判讀給出對(duì)應(yīng)的裂紋長(zhǎng)度。暗條紋亮條紋圖3 在帶有標(biāo)識(shí)載荷作用下的典型疲勞斷口首先在斷口上確定裂紋長(zhǎng)度最長(zhǎng)的標(biāo)識(shí)條紋的位置，然后按斷口上標(biāo)識(shí)線的規(guī)律反向搜索判讀，通常要求標(biāo)識(shí)載荷應(yīng)保證在裂紋長(zhǎng)度為0-1.5mm的范圍內(nèi)讀出6組

5、以上的(a，N)數(shù)據(jù)對(duì)，并盡可能讀出裂紋源處的(a，N)數(shù)據(jù)，根據(jù)斷口判讀技術(shù)的可行性，通常選取最小裂紋尺寸為0.3mm左右。2.4 適用于相對(duì)小裂紋范圍內(nèi)的裂紋擴(kuò)展方程裂紋擴(kuò)展方程采用類(lèi)似于斷裂力學(xué)中描述裂紋擴(kuò)展速率的Paris公式的形式式中，為裂紋擴(kuò)展速率，裂紋長(zhǎng)度a為循環(huán)數(shù)N的函數(shù)；Q和b為與材料特性、載荷譜、結(jié)構(gòu)形式等相關(guān)的參數(shù)。當(dāng)應(yīng)力水平確定時(shí)，通常假定指數(shù)b與應(yīng)力水平無(wú)關(guān)，并且常常推薦采用b=1。3 試件標(biāo)識(shí)載荷技術(shù)對(duì)試件無(wú)要求，可以采用各種標(biāo)準(zhǔn)、非標(biāo)準(zhǔn)或結(jié)構(gòu)模擬試件。本次試驗(yàn)采取如圖4所示含3孔鋁合金平板試件。圖2 含3孔鋁合金平板板件試件材料為7B04鋁合金，試件長(zhǎng)373mm，

6、厚8mm，夾持段長(zhǎng)80mm、寬90mm，工作段長(zhǎng)140mm、寬42mm，夾持段和工作段采用R40大圓弧過(guò)渡。4 試驗(yàn)裝置與條件4.1 試驗(yàn)裝置(1) 疲勞試驗(yàn)疲勞試驗(yàn)允許在不同類(lèi)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，其相對(duì)誤差不超過(guò)，示值變動(dòng)度不超過(guò)1%；在動(dòng)態(tài)下校正載荷，其相對(duì)誤差不超過(guò)；3）帶有準(zhǔn)確的計(jì)數(shù)裝置。本次試驗(yàn)采用北京航空航天大學(xué)的INSTRON8803-250kN或MTS880-500kN疲勞試驗(yàn)機(jī)，它由機(jī)架、液壓伺服系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三大部分構(gòu)成，見(jiàn)圖5。試驗(yàn)機(jī)定期標(biāo)定，其動(dòng)載相對(duì)誤差小于，靜載相對(duì)誤差小于。a. INSTRON 880

7、3-250kN疲勞試驗(yàn)機(jī)b. MTS880-500kN疲勞試驗(yàn)機(jī)圖5 疲勞試驗(yàn)機(jī)(2) 斷口判讀斷口判讀設(shè)備為JX13C圖象處理萬(wàn)能工具顯微鏡，見(jiàn)圖6。該儀器采用進(jìn)口精密光柵系統(tǒng)以及CCD圖象處理技術(shù)，將斷口光學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，并自帶平面測(cè)量軟件，取代傳統(tǒng)顯微鏡的目視測(cè)量，具有較高的測(cè)量精度和操作效率。X、Y方向測(cè)量分辨率0.2m，測(cè)量準(zhǔn)確度(1+L/100)m(L為被測(cè)長(zhǎng)度，單位為mm)。圖6 X13C型號(hào)圖像處理萬(wàn)能工具顯微鏡4.2 試驗(yàn)條件疲勞試驗(yàn)在室溫大氣環(huán)境下進(jìn)行，采取軸向加載方式，正弦波，加載頻率為f=5Hz。斷口判讀在室溫大氣環(huán)境下進(jìn)行。5 試驗(yàn)過(guò)程及要求(1) 試驗(yàn)前準(zhǔn)備

8、采用游標(biāo)卡尺測(cè)量試件工作段凈截面尺寸，得到凈截面面積； 按給定的應(yīng)力水平，計(jì)算載荷峰值與谷值； 檢查儀器設(shè)備是否存在故障。(2) 疲勞試驗(yàn) 開(kāi)機(jī)； 設(shè)定參數(shù)； 進(jìn)行疲勞試驗(yàn)。 試驗(yàn)要求做至試件斷裂，記錄總壽命。(3) 斷口判讀 試驗(yàn)前，采用丙酮溶劑清洗試件斷口，待試件干燥后，將試件垂直固定在試件架上； 對(duì)試件斷口進(jìn)行判讀，獲取裂紋擴(kuò)展(a，N)數(shù)據(jù)集，當(dāng)斷口呈現(xiàn)多源裂紋形態(tài)時(shí)，讀取沿徑向擴(kuò)展最快的裂紋(a，N)數(shù)據(jù)集； 盡可能獲得足夠多的數(shù)據(jù)，一般要求有效數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的最小裂紋尺寸應(yīng)小于0.4mm； 進(jìn)行斷口判讀時(shí)，從最后一條可判讀的標(biāo)識(shí)線開(kāi)始，沿裂紋擴(kuò)展的逆向依次讀取裂紋長(zhǎng)度。6 裂紋擴(kuò)展速率的處理與分析在交變應(yīng)力特征、材料及試件形式確定的情況下，裂紋擴(kuò)展速率參數(shù)Q值由試件試驗(yàn)所得到的(a，N)數(shù)據(jù)對(duì)處理得到。常常采用如下兩種方法：(1) 直接擬合法式中，m為(a，N)數(shù)據(jù)對(duì)的數(shù)目。(2) 間接擬合法先將m對(duì)(a，N)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成a，數(shù)據(jù)對(duì)，其中可采用修正的割線法求得：再按最小二乘法給出Q值。參考文獻(xiàn)1 劉文珽，鄭旻仲，費(fèi)斌軍等. 概率斷裂力學(xué)與概率損傷容限/耐久性M. 北京航空航天大學(xué)出版社，19982 Manning S.D.，Yang J.N. USAD Dura