[發(fā)明專利]原位測量疲勞裂紋擴展長度的新方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201210142369.7
• 申請日: 2012-05-10
• 公開（公告）號: CN102679931A
• 公開（公告）日: 2012-09-19
• 發(fā)明（設計）人: 劉鵬;劉霞;趙炳戈;高玉來;翟啟杰
• 申請（專利權）人: 上海大學;劉霞
• 主分類號: G01B21/02
• 分類號: G01B21/02
• 代理公司: 上海上大專利事務所(普通合伙) 31205
• 代理人: 顧勇華

技術領域

本發(fā)明涉及一種可以在疲勞性能測試過程中原位測量疲勞裂紋擴展長度的新方法，可實現(xiàn)疲勞列為擴展長度的實時在線測量。本發(fā)明屬于材料的力學性能測試領域。

背景技術

疲勞是指材料、零件和構件在循環(huán)加載下，在某點或某些點產(chǎn)生局部的永久性損傷，并在一定循環(huán)次數(shù)后形成裂紋或使裂紋進一步擴展直到完全斷裂的現(xiàn)象。引述美國試驗與材料協(xié)會（American?Society?for?Testing?and?Materials,?ASTM）在“疲勞試驗及數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析之有關術語的標準定義”(?EZ06-72)?中所作的定義：在某點或某些點承受撓動應力，且在足夠多的循環(huán)撓動作用之后形成裂紋或完全斷裂時，材料中所發(fā)生的局部永久結構變化的發(fā)展過程，稱為“疲勞”。

材料在遠低于其強度極限的循環(huán)載荷作用下發(fā)生破壞的現(xiàn)象，稱為疲勞破壞。疲勞破壞主要有以下特征：

1）只有在材料承受循環(huán)載荷作用時，疲勞才會發(fā)生。

2）疲勞是一個“發(fā)展過程”，這一過程發(fā)生在一段時間內。“形成裂紋”和“斷裂”，是這一發(fā)展過程中不斷形成的損傷累積的結果。

3）疲勞通常在某局部區(qū)域內發(fā)生，而不是由整個結構或構件所控制。

4）疲勞過程是結構內部永久變化造成損傷的累積過程。

在現(xiàn)代工程的各個方面，主要零件和構件，大多在循環(huán)載荷的作用下工作，疲勞破壞是其主要的失效形式。隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，對材料的疲勞性能的要求也逐步提高，因此研究材料的疲勞破壞機理，從而尋求提高材料疲勞性能的方法，具有明顯的社會效益和經(jīng)濟價值。

目前，通常采用的材料疲勞抗力指標有疲勞強度、過載持久值、疲勞缺口敏感性、疲勞裂紋擴展速率以及疲勞裂紋擴展門檻值等。而其中采用最多的評價材料疲勞性能的指標是疲勞裂紋擴展速率(da/dN)和疲勞裂紋擴展門檻值(ΔK_th)，尤其是ΔK_th已經(jīng)成為衡量材料和重要部件疲勞性能最重要的指標。根據(jù)GB/T?6398-2000中的相關規(guī)定，定義疲勞裂紋擴展速率等于1×10^-7mm/cycle所對應的應力強度因子范圍值為ΔK_th。

影響材料的疲勞門檻值的因素很多，下面就疲勞測試過程中可能涉及的相關參量作簡單介紹（以GB/T6398-2000中規(guī)定的標準緊湊拉伸（Compact?Tension,?CT）試樣為例）：

1）循環(huán)數(shù)N：力循環(huán)的次數(shù)。

2）疲勞裂紋擴展速率da/dN：力循環(huán)一次的疲勞裂紋的擴展量，國標中表示為疲勞裂紋尖端應力強度因子ΔK的函數(shù)。

3）應力強度因子K：裂紋尖端附近區(qū)域彈性應力場強度的量值。

4）裂紋長度a：與實際裂紋相當?shù)闹鼻熬壛鸭y長度。對于CT試樣，a從加力線開始計算。

5）最大載荷P_max：循環(huán)力的最大代數(shù)值。

6）最小載荷P_min：循環(huán)力的最小代數(shù)值。

7）力值范圍?ΔP：最大與最小力之間的差值，即ΔP=P_max－P_min。

8）應力比R：最小力與最大力的比值，即R=?P_min/P_max。

9）最大應力強度因子K_max：對應于最大力的應力強度因子，并隨著裂紋長度的增長而變化。

10）最大應力強度因子K_min：對應于最小力的應力強度因子。

11）應力強度因子范圍ΔK：最大與最小應力強度因子值之差，即ΔK=K_max－K_min。

對于CT試樣，

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式中：α=?a/W（W為力作用線到CT試樣邊緣的距離）；B為CT試樣的厚度。

由公式（1）可知：在整個的測試過程中，疲勞裂紋擴展長度的精確測量是關鍵因素之一。目前所采用的測量疲勞裂紋的方法有普通讀數(shù)法、應變片法、等效電位法等，其中尤以普通讀數(shù)法精度相對較高。

普通讀數(shù)法的操作步驟是在循環(huán)若干次后將疲勞試樣從疲勞試驗機上卸下并將其放置于金相顯微鏡下測量其長度。這種方法精確度較高，卻存在以下缺陷：

1)??????測量裂紋擴展長度時需要卸去載荷，拆卸試樣，在顯微鏡下測量其裂紋長度；測量完畢后需要重新安裝試樣，重新加載。整個操作過程繁瑣，費時費力，且可能造成CT試樣的夾持和對中等參數(shù)發(fā)生變化，影響測試結果的可重復性。