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)測定方法3掌握疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)測定裝置的使用方法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)一次所對應(yīng)的裂紋擴(kuò)展量，在疲勞裂紋擴(kuò)展

2、過程中， dN 不斷變化，每一瞬時的 dadN 即為裂紋長度 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)系在雙對數(shù)坐標(biāo)系上呈圖 1 所示的形狀。 log(da/dN)?Kth?Kclog (?K )圖 1 dadN-?K 曲線形狀dN-?K 曲線分成三個階段：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)

3、?K<?Kth 時裂紋停止擴(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 III 對應(yīng)的裂紋擴(kuò)展壽命在整個裂紋擴(kuò)展過程中所占的比例很小，對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)Kmax? ?dadN=C(?K)nm(2) (3) (4) (5)

4、 (6)? ? Kc(1-R)- ?K ? ?ndadN=C(?K -?Kth)ndadN=C(?Kn -?Kth)ndadN=C(?Kn -?Kth) ? ? Kc(1-R)- ?K ? ?Paris 公式由于形式簡單，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)展的三個階段，但公式的復(fù)

5、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。對于相同的材料，若產(chǎn)品類型不同，則 dadN 會有明顯的差別。（2）熱處理工藝。材料成分相同，但熱處理工藝不同，會導(dǎo)致材料的微觀組織的差別，從而影響材料對裂紋擴(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。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度隨時間的擴(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

6、的裂紋擴(kuò)展速率會高于惰性氣體環(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（干燥氣體）和室溫條件下，在常用的加載頻率內(nèi)，頻率對dadN 的影響不顯著。在惰性環(huán)境與室溫下載荷波形對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間越長，則 dN 越大。 3 試驗(yàn)裝置和試樣本試驗(yàn)是測定金屬材料在

7、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）使試樣受載對稱分布； 2）在靜態(tài)下校正載荷，其誤差不超過 ±1%，示值變動度不超過 1%；在動態(tài)下校正載荷，其誤差不超過 ±3%； 3）帶有準(zhǔn)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)保證在整個試驗(yàn)過程中試樣工作區(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)

8、CT（圖2）試樣或標(biāo)準(zhǔn)CCT（圖3）試樣。試樣厚度：對于 CT 試樣而言，推薦厚度范圍為 W20BW4（W25mm）；對于 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 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)采用柔度法測量裂紋長度時，建議中心裂紋長度 2an不小于 0.2W。試樣切口可通過銑切

9、、線切割和其他方法加工而成。試樣不可避免地會存在殘余應(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關(guān)，試樣厚度的變化對疲勞裂紋擴(kuò)展速率的影響有可能增大、減小或保持不變，因此，對試樣的厚度效應(yīng)應(yīng)當(dāng)引起注意。2- 0.25W +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)過程4.1 試樣尺寸測量用精度為 0.01mm 的量具在試樣的韌帶區(qū)域三點(diǎn)處測量厚度 B，取平均值。用精度不低于 0.001W 的量具在試樣的

10、裂紋所在截面附近測量寬度 W。4.2 預(yù)制疲勞裂紋預(yù)制疲勞裂紋時應(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的最大載荷不得超過開始記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)時的最大載荷值，須把較高的載荷分級降到試驗(yàn)最大載荷，每級下降率不得大于20%。為防止試驗(yàn)時的瞬變效應(yīng)，'為上一級 '0.2)2，其中 Kmax 每一級加載范圍應(yīng)使裂紋長度擴(kuò)展量不小于()(Kmax載荷最后的最大應(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量裂紋長度（CCT 試樣前后表面均要測左右兩個裂紋長度），測量應(yīng)準(zhǔn)確到 0.1mm 或 0.002W 中較大的一個，所測各個裂紋長度均

11、應(yīng)大于 0.1B 和缺口寬度 h，但不得小于 2.5mm。若前后表面裂紋長度測量值之差超過 0.25B 或左右兩側(cè)裂紋長度測量值之差超過 0.025W，則試驗(yàn)無效。4.3 疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)在試驗(yàn)載荷下記錄若干個循環(huán)數(shù)及其對應(yīng)的裂紋長度。試驗(yàn)中應(yīng)注意： 1）應(yīng)保持載荷穩(wěn)定和避免過載遲滯效應(yīng)； 2）當(dāng)存在環(huán)境影響時，必須考慮載荷水平、頻率和波形的影響； 3）若長時間中斷試驗(yàn)，而中斷后的裂紋擴(kuò)展速率比中斷前小，則試驗(yàn)無效； 4）試驗(yàn)中任何一點(diǎn)平均穿透疲勞裂紋與試樣對稱平面的偏離大于 5 度，此點(diǎn)數(shù)據(jù)無效； 5）在試驗(yàn)中某一點(diǎn)處前后表面裂紋長度測量值相差超過 0.025W，則此點(diǎn)數(shù)據(jù)無效。4.4 裂紋

12、長度測量裂紋長度的測量可以采用目測法、柔度法、點(diǎn)位法等，這里采用目測法進(jìn)行測量。用目測法或等效的方法測量疲勞裂紋長度時，測量精度應(yīng)不低于0.1mm 及0.002W 中較大的一個。測量裂紋長度最好在不中斷試驗(yàn)的情況下進(jìn)行，若需中斷試驗(yàn)測量時，應(yīng)滿足：1）中段時間應(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 倍于裂紋長度測量的精度，取兩者中的較大值。用目測法測量裂紋長度時，當(dāng) B 小于 0.15 時，只需在一個表面上測量裂紋長度，對 CCT 試樣要在

13、左右兩側(cè)的兩裂紋長度，取平均值。當(dāng) B 大于 0.15 時，則需在前后兩個表面上測量裂紋長度，取平均值，對于CCT 試樣則需要在前后表面的左右兩側(cè)測量四個裂紋長度，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，則至少在兩個位置（例如預(yù)制裂紋和極限裂紋）測量厚度方向(4)B、(2)B 、(34)B 三點(diǎn)處的裂紋長度，其平均值與試驗(yàn)記錄的相應(yīng)裂紋長度之差即為曲率修正量。在任何一個位置上，由平均裂紋長度計(jì)算出的應(yīng)力強(qiáng)度因子和由試驗(yàn)裂紋長度計(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

14、個恒量，當(dāng)它隨裂紋伸長而單調(diào)增加或減少時，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，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， -1? Ni-C1? Ni-C1? ?i=b0+b1 a+b C? 2 C? 22?Ni-C111 +1，C1=(Ni+n+Ni-n) ，C2=(Ni+n-Ni-n) ，ai-n a ai+n C2222(7)系數(shù) b0、b1、b2 是在 (ai-n,ai+n)區(qū)間按最

15、小二乘法（即使裂紋長度觀測值與擬?i 是對應(yīng)于循環(huán)數(shù) Ni 上合值之間的偏差平方和最小）確定的回歸參數(shù)。擬合值 a 的擬合裂紋長度。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)b? da? =1+2i21C1C2? dN? a?i?i 計(jì)算與 dN 值相對應(yīng)的 ?K 。 利用對應(yīng)于 Ni 的擬合裂紋長度 a (8)5.3 應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍的計(jì)算對 CT 試樣，?K=?PB?(2+ )(0.886+4.64 +13.32 2+14-5.67234)-1 (9)式中： =a。對于 a 大于或等于 0.2 表達(dá)式有效。對