金屬材料 蠕變及蠕變-疲勞裂紋擴展速率測定方法

1金屬材料蠕變裂紋及蠕變-疲勞裂紋擴展速率測定方法本文件規(guī)定了金屬材料蠕變裂紋及蠕變-疲勞裂紋擴展速率測定試驗相關(guān)的術(shù)語和定義、本文件適用于在恒定溫度及單軸循環(huán)載荷下，測定金屬均質(zhì)材料的蠕變-疲勞裂紋擴展GB/T8170數(shù)值修約規(guī)則與極限數(shù)ASTME1012在拉伸和壓縮軸向力下的試驗機和試樣同軸度的校驗（Standarforverificationoftestframean2蠕變裂紋擴展速率creepcrack蠕變-疲勞裂紋擴展速率crackgrowthpercycleundercreep-da/dN時間相關(guān)的平均裂紋擴展速率averagetimerateofcrackgrowth(da/dt)avg加載線位移load-linedisplacδ圍繞裂紋前沿從裂紋的一個面到另一個面的線積分或面積大范圍蠕變條件下任一時刻裂紋前沿局部應力和在X-Y平面內(nèi)裂紋尖端平行Z軸的線性積分C*(t)見公式(1)：x,y——直角坐標系；T.ds——沿Γ進入閉合曲面應力能率。3dsTdsT1yx蠕變裂紋起裂時間creepcrackinitiat4符號及說明aafapfABBnN/mmhda/dND1EfHJpJ積分塑性分量KKnmnNPNPfN4RRiRoRp0.2thhhT℃VWXY0δδδcδeδpυσΔafΔapfΔKN5(da/dt)avg與裂紋尖端斷裂參量平均值(Ct)avg的關(guān)系。6.1.1蠕變裂紋擴展測試的加載方式有恒力加載、恒位移和恒位移速率加載三種，推薦采用6.1.2蠕變-疲勞裂紋擴展測試中存在時間相關(guān)的沿晶蠕變和循環(huán)相關(guān)的穿晶疲勞兩種類型的裂紋擴展機制。二者的交互作用很復雜，b)用于測試的材料量及其尺寸;6.2.4應通過改變試樣類型、尺寸、側(cè)槽輪廓調(diào)整試樣拘束度，使裂紋前沿滿足平直度的要6.2.6所選試樣類型及尺寸應有足夠的韌帶長度，以獲取足夠的裂紋6.4.1對于蠕變裂紋擴展試驗采用數(shù)字化記錄儀實時記錄裂紋尺寸、載荷、位移、溫度隨時6應增加試驗頻次。如果測試材料不足或者其它因素限制試驗頻次，應謹慎對待測試結(jié)果。推薦采用Ct或K。相關(guān)試樣的斷裂參量計算方法見附展速率(da/dt)avg與Ct參數(shù)的平均值((Ct)a6.6.3對焊接接頭試樣進行蠕變裂紋擴展速率測試時，應對斷裂參量進行修正，具體規(guī)定見試驗允許在不同類型的蠕變試驗機上進行，但應滿足以下a)試驗機應能提供施加軸向試驗力并使試樣上產(chǎn)生的彎矩和扭矩最小，試驗前應對試驗機進行外觀檢查以確保試驗機的加力桿、夾具、萬向節(jié)和連接裝置都處于良好狀7b)試驗機應能均勻平穩(wěn)無震動地在試樣上施c)試驗機應遠離外界的震動和沖擊。試驗機應具有試樣斷裂時將震動降到最小的緩沖證明試驗機在更長的時間內(nèi)能夠滿足相關(guān)規(guī)定的要求，那么可以延長兩次校準/檢定時間間試驗允許在不同類型的疲勞試驗機上進行，但應滿足以下于試驗周次超過10000個周次的試驗，計數(shù)器分辨率應高于失效循環(huán)數(shù)的1%;e)試驗機的校準/檢定周期不宜超過12個月，試驗機的校準/檢定參考JJG87.4.2.1加熱裝置應加熱試樣至規(guī)定溫度(T)。規(guī)定溫度(T)和顯示溫度(Ti)之間的允許偏差和T34567.4.4.1溫度顯示裝置的分辨力至少應為0.5℃,測溫裝置的準確度應等于或優(yōu)于1℃。7.4.4.2應保證熱電偶的測量端能與試樣表面良好接觸，并應做好熱輻射屏蔽。爐內(nèi)電偶絲97.5.1試驗過程中應連續(xù)測量加載線7.5.3位移測量裝置的刀刃應具有較低的摩擦系數(shù)。刀刃的平行度應保持在±1°以內(nèi)。宜使用測量分辨率小于等于0.1mm的裂紋長度測量系統(tǒng)。選定的裂紋長度測量技術(shù)應8.1.2標準C(T)試樣和其余推薦試樣的示意圖和尺寸見圖5。表3給出了8.1.1中各類型試樣的擴展試樣的初始裂紋尺寸a0應至少為0.25W，但不大于0.35W。的EDM加工最后長度0.1W的裂紋?？稍跍y試之前通過疲勞預制裂紋或EDM等裂尖銳化a)EDM預制裂紋：EDM預制裂紋的寬度不得超過0.1mm。應采取預防措施，以避免局部過熱改變裂紋尖端附近材料的微觀結(jié)構(gòu)。EDM預制裂紋長度應大于0.05W。b)疲勞預制裂紋：在室溫下或在室溫和試驗溫度之間的任一溫度下，采用疲勞加載的=0.4BRp0.2(2)應力強度因子范圍與楊氏模量的比值(?K/E）等于或小于0.0025mm1/2。疲勞載荷的準確度8.4.4為了便于在低應力下產(chǎn)生裂紋，可將缺口根半徑加工至08.4.5不應在預制裂紋后和試驗之間對試8.4.6疲勞預制裂紋擴展量應大于0.05W及1WBH,L,R0H=0.6WR0=2WL=2WL=2WL=4WL=4W9.1.1使用引伸計測試位移時，應采取措施保護爐外的引伸計部分不會由于爐外空氣溫度的9.2.2用最小分度值不大于0.001W的量具在試樣的裂紋所在截通過銷釘使試樣安裝在試驗機上，施加大約預期試驗載荷10%的初9.4.1熱電偶應緊貼試樣安裝于裂紋面上方或下方2~5mm9.4.2熱電偶應與試樣保持密切接觸，必要時保護其免受輻射影9.6.2升溫和試驗過程中溫度波動和溫度梯度不允許超過表9.6.3根據(jù)試樣尺寸確定加熱時間及保溫時間。對于厚度不大于25mm的C(T)試樣，推薦加9.8.2蠕變裂紋擴展試驗的數(shù)據(jù)采樣周期一般不低于15min，當試樣接近斷裂時，采樣周期9.9.2為便于精確測量最終裂紋長度，應在試樣斷裂前結(jié)束試驗。從試樣表面或側(cè)槽試樣af=jj=2+ajj=2fa)相鄰數(shù)據(jù)點之間的最小位移增量應不大于引伸計滿量程的0.b)相鄰數(shù)據(jù)點之間的裂紋長度增量宜為0.25mm，不大于0.02W。10.2.3蠕變-疲勞裂紋擴展速率和位移速率根據(jù)裂紋長度與時間(a-t)和位移與時間(δ-t)數(shù)據(jù)斷裂參量K和C*的計算方法見附錄A；保載過程b)對于蠕變裂紋擴展，裂紋擴展0.2之間。當數(shù)據(jù)滿足δcδ≥0.8，是有效的；在d)如果試驗過程中材料外側(cè)的裂紋和原始裂紋擴展平面的裂紋，取向偏差在5°以上，按GB/T8170進行數(shù)值的修約，修約到a)試樣類型、厚度和寬度，除標準C(T)e)加載條件，包括力值范圍、力值比、加載K=KBnK=KBnA.1試樣斷裂力學參數(shù)A.1.2斷裂力學參數(shù)C*是用于關(guān)聯(lián)蠕變裂紋擴展速率最常用的參量。應力強度因子K用于蠕A.1.3對于蠕變-疲勞裂紋擴展，常用的斷裂力學參量是ΔK及(Ct)avg。ΔK適用于蠕變脆性材A.2應力強度因子K的解A.2.1給出了適合圖5所示試樣類型的應力強度因子解。本計算方法亦適用于求解應力強度A.2.2應力強度因子通用計算公式K=Y(aW)σA.2.3側(cè)槽試樣的應力強度因子的解\Bn\BA.2.4Y(a/W)的解A.2.4.1C(T)試樣的Y因子f(aW)=0.886+4.64(aW)?13.32(aW)2+14.72(aW)3?5.6(aW)4A.2.4.2CS(T)試樣的Y因子W「3X(a)]「(a)2(R)]Y=|+1.9+1.1|||.|1+0.25|1?3.74?6.3(aW)+6.32(aW)2?2.43(aW)3)σ=PBW1「a(a)(a(a)2)]2W(1「a(a)(a(a)2)]2W(πa)「4(πa)]A.2.4.5DEN(T)試樣的Y因子A.2.4.6M(T)試樣的Y因子 (πa)「(a)2(a)4] (πa)「(a)2(a)4]A.2.5遠場應力σ解A.2.5.1C(T)試樣、CS(T)、σ=BW3PLBWσ=2σ=A3.1參數(shù)C*可以多種方式計算。宜通過下面列出的實驗分析方法獲得C*的估算值，計算公PδFLDFLDFLDC*C*=HCMODηCMOD注：測量加載線位移（FLD）或裂紋張開嘴位移（CMODA3.2圖5試樣類型的HFLD和HCMOD的解見表A.HCMODHFLDB.1概述蠕變-疲勞裂紋擴展速率表示為每個循環(huán)的裂紋擴展速率da/dN和與時間相關(guān)的平均裂紋擴展速率(da/dt)avg，da/dN和(da/dt)avg分別是應力B.2應力強度因子范圍ΔKB.3保載過程中的(Ct)avg時間相關(guān)的平均裂紋擴展速率(da/dt)avg表示為(Ct)avg的Ctdt(B.1)avgf，(aWf，(aW)f(aW)23B3.2對于不能準確測量保載時間內(nèi)位移變化的情況，可以用下式估算(Ct)avg：SSC(aW)2?n?3)SSC(aW)2?n?3)a=C)n+11]1]2「(2a)2(2a)「(2a)]η1注：穩(wěn)態(tài)蠕變條件下，材料的應變速率與應力在雙對數(shù)坐標下呈線性關(guān)系，表達式為ε=A表B.1不同冪率蠕變指數(shù)下的Fcr(90°,n)值n34Fcr(90°,n)a/Wn（m）123571da(da)(da)dN（dN)cycle（dN)dwell dN（dN)cycle（dN)dwell(da)(da)dwellhavg設(shè)兩者獨立的情況下，(da/dN)cycle可以由同等溫度下的疲勞裂紋擴展試驗獲得。C.1對于需要測試得到焊接接頭焊縫或熱影響區(qū)的裂紋擴展速率的情況，宜參考圖C.1切割C.3斷裂參數(shù)K和C*適用于非均質(zhì)的焊接接頭試樣。表C.1和給出了圖5試樣類型的ηCMOD和計算得到ηCMOD和ηFLD上下限值。a)焊接/熱影響區(qū)/基體c)薄壁測試焊接區(qū)域123b)薄片測試熱影響區(qū)d)電子束式薄焊縫/熱影響區(qū)ηLLD=2.71-0.38M±0.20ηCMOD=4.27-0.49M±0.38ηLLD=2.50-0.29M±0.12ηCMOD=1.13-0.13M±0.09ηLLD=3.03-0.49M±0.22ηCMOD=0.79-0.08M±0.12ηLLD=2.21-0.25M±0.14ηCMOD=1.05-0.24M±0.16ηLLD=1.06-0.34M±0.18ηCMOD=1.29-0.26M±0.14ηLLD=1.35-0.38M±0.15a)微觀結(jié)構(gòu)小裂紋(MicrostructurallyShortCrack,Mb)力學小裂紋(MechanicallyShortCrack)。這類小裂紋的尺寸與La0.05于大應力范圍。圖D.2為半圓缺口拉伸試樣，其優(yōu)點是可以產(chǎn)生La0.05CW1.6/1CCAAA/1.62cBLL/22LCAYaXcLL/22LCAYaXc0.05W1CRR0.05BAAσσYYcθXBaBaBaBaσAAσA—ArWrcφ=π/2φ=π/2 cc)參考角φ的定義對于許多材料，試驗時取名義最大應力為0.6倍屈服強度將有助于在相對較短時間內(nèi)產(chǎn)D.3.5裂紋深度的測量D.4.1.2對于半橢圓表面小裂紋，受均勻拉伸應力的試樣(圖D.l,D.3)D.4.1.2對于半圓缺口小裂紋，受均勻拉伸應力的試樣(圖D.2,D.4)，其應力強度因子范圍的蠕變-疲勞裂紋擴展速率,da/dN(mm/cycle)蠕變-疲勞裂紋擴展速率,da/dN(mm/cycle)蠕變-疲勞裂紋擴展速率,da/dN(mm/cycle)蠕變-疲勞裂紋擴展速率,da/dN(mm/cycle)D.5蠕變-疲勞小裂紋擴展速率的典型采用本附錄，測試獲得了兩種金屬材料在不同溫度下的蠕變-疲勞小裂紋擴展速率。測試試樣如圖D.3a)。圖D.5是304不銹鋼593℃下5min保載的蠕變-疲勞小裂紋擴展速率圖，圖D.6是GH4169合金650℃下不同保載時間的蠕變-疲勞小裂紋擴展速率圖。StrainamplitudeStrainamplitude ±0.4% ±0.6%±0.8% ±1.0%有效應力強度因子幅,△Keff(MPa*m1/2)保載時間 (Benchmark)(Benchmark)保載時間 保載時間(Benchmark)(Benchmark)保載時間 保載時間短時保載長時保載短時保載有效應力強度因子幅,ΔKeff(MPa*m1/2)可以通過測量的初始裂紋長度a0和最終裂紋長度af以及對應的電壓數(shù)據(jù)進行線性插值獲得：f00E.2.1C(T)試樣輸入電流和電壓測點位置見圖5?？梢允褂靡韵鹿珅|||lcosπa02WJ」」ap00E.2.3直流熱電勢的測量。試樣上電壓測點的連接性能、輸δcJpm+1割線法是指在a-t曲線和δ-t曲線上連接兩個相鄰的數(shù)據(jù)點計算其直線斜率，公式如下:aa?δi由于計算出的da/dt和dδ/dt是裂紋擴展量(ai+1-ai)的平均速率，應使用平均裂紋長度a=(來計算K、J、C*和C(t)。共（2n+1）個連續(xù)數(shù)據(jù)點，采用二次多項式進行擬合。點數(shù)n通常取i2122)22（C2)+bti2)22（C2)為回歸參數(shù)，采用最小二乘法(即裂紋長度和位移測量值與擬合值偏差的平方和最小)確定。參數(shù)C1=0.5(ti-n+ti+n)和C2=0.5(ti-n-ti+n)用于變換輸入數(shù)據(jù)，以避免確定回歸參數(shù)時的數(shù)值計算難度。ti處裂紋擴展速率和位移速率由式(G.3)和(G.4)導數(shù)獲計算與上述速率相關(guān)的K、J、C*和C(t)值時應采用與ti對應的擬合裂紋長度i。[1]丁傳富,劉建中,胡本潤,吳學仁.金屬材料疲勞小裂紋擴展速率試驗方法[C].全[2]SaxenaA.Non-LinearFractureMecha[3]SaxenaA,HudakSJ.Reviewandextensionofcompgrowthspecimens[J].InternationalJournal[4]BassaniJL,HawkDE,SaxenaA.EvaluationoftheCtparameterforccrackgrowthrateinthetransientregime[J[5]Adefris,McDowell,SaxenaA.Aparameter[J].Fatigue&FractureofEngi