[發(fā)明專利]一種測量金屬材料疲勞裂紋擴(kuò)展門檻值的簡易方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310419709.0
• 申請日: 2013-09-13
• 公開（公告）號: CN103454140A
• 公開（公告）日: 2013-12-18
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張強(qiáng);李述軍;王皓亮;侯文韜;郝玉琳;楊銳
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院金屬研究所
• 主分類號: G01N3/00
• 分類號: G01N3/00
• 代理公司: 沈陽優(yōu)普達(dá)知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(特殊普通合伙) 21234
• 代理人: 張志偉

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及疲勞裂紋擴(kuò)展技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種測量金屬材料疲勞裂紋擴(kuò)展門檻值的簡易方法。

背景技術(shù)

過去的幾十年間，損傷容限設(shè)計(jì)被引入來表征材料的疲勞行為。疲勞裂紋擴(kuò)展曲線被用來作為疲勞性能的設(shè)計(jì)。尤其是對于多孔以及夾雜的材料，裂紋擴(kuò)展階段所占的疲勞壽命占據(jù)了很大的一部分，此時(shí)裂紋擴(kuò)展就顯得非常的重要。而疲勞裂紋擴(kuò)展門檻值ΔK_th作為材料的一個(gè)重要性能指標(biāo)，其具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

疲勞裂紋擴(kuò)展門檻值ΔK_th是指在降力（K）試驗(yàn)中，疲勞裂紋擴(kuò)展速率接近于零或裂紋停止擴(kuò)展時(shí)所對應(yīng)的裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍，通常定義疲勞裂紋擴(kuò)展速率等于10^-7mm/cycle所對應(yīng)的應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍值為ΔK_th。

但由于ΔK_th的測量方法并沒有統(tǒng)一的規(guī)定，導(dǎo)致即使對于同一種狀態(tài)的材料，用不同方法測量得到的疲勞裂紋擴(kuò)展門檻值也有所出入。現(xiàn)如今，測量ΔK_th的方法主要來自于ASTM?E647-1995a以及GB/T?6398-2000《金屬材料疲勞裂紋擴(kuò)展速率試驗(yàn)方法》，而GB/T?6398-2000的主要技術(shù)內(nèi)容與ASM?E647-1995a相同，且更為詳細(xì)和具體。因此將本發(fā)明測量疲勞裂紋擴(kuò)展門檻值的方法與GB/T6398-2000對比即可。

現(xiàn)如今，ΔK_th的測量采用降K程序。在力值比R不變的條件下，用自動或手動控制的降K程序來實(shí)現(xiàn)。初始的應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍可選擇等于或大于預(yù)制疲勞裂紋時(shí)的最終ΔK值，以后要隨著裂紋的擴(kuò)展而連續(xù)降力或分級降力。分級降力時(shí)每級力下要使裂紋擴(kuò)展增量Δa大于上一級K_max（最大應(yīng)力強(qiáng)度因子,）對應(yīng)的塑性區(qū)尺寸r_y的4～6倍，直至平均裂紋擴(kuò)展速率Δa/ΔN接近10^-7mm/cycle時(shí)，降K試驗(yàn)結(jié)束。試驗(yàn)過程中記錄每級力或每級應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍下的終止裂紋長度a_i和對應(yīng)的循環(huán)數(shù)N_i。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)以及自動化技術(shù)的迅速發(fā)展，恒c條件下的降K程序已經(jīng)成為可能，其完全由計(jì)算機(jī)控制，大大的減少了工作量以及節(jié)約了試驗(yàn)時(shí)間。但是，如何使用恒c條件下的降K程序，還不為人知，而本發(fā)明正是為了彌補(bǔ)這一技術(shù)空缺而產(chǎn)生，使裂紋擴(kuò)展門檻值的測定變得簡單而高效。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種測量金屬材料疲勞裂紋擴(kuò)展門檻值簡單而有效的試驗(yàn)方法。在現(xiàn)有疲勞機(jī)設(shè)備條件下，計(jì)算得出符合國標(biāo)GB/T?6398-2000的c值。然后利用疲勞機(jī)自帶的恒c控制的降ΔK程序來測量材料疲勞裂紋擴(kuò)展門檻值ΔK_th。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案：

一種測量金屬材料疲勞裂紋擴(kuò)展門檻值的簡易方法，包括如下步驟：

1.ΔK₁與ΔK_t的選取。

2.單級或多級試驗(yàn)的確立。

3.c值與Δa值的計(jì)算。

4.單級或多級試驗(yàn)中c值的輸入。

5.ΔK_th的計(jì)算。

根據(jù)所測材料選取合適的ΔK₁與ΔK_t后，用的比值確定試驗(yàn)為單級還是多級試驗(yàn)，然后通過c值的計(jì)算并在試驗(yàn)中向計(jì)算機(jī)輸入相關(guān)參數(shù)，疲勞試驗(yàn)機(jī)接收計(jì)算機(jī)指令并返回COD（crack?opening?displacement，裂紋張開位移）規(guī)的數(shù)據(jù)給計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)根據(jù)數(shù)據(jù)用柔度法計(jì)算出裂紋長度，并使用七點(diǎn)遞增多項(xiàng)式數(shù)據(jù)處理方法計(jì)算出當(dāng)前周次的裂紋擴(kuò)展速率，實(shí)驗(yàn)完畢后，將所得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理求出疲勞裂紋擴(kuò)展門檻值ΔK_th；其中，ΔK₁代表初始的應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍ΔK_t代表通過查所測材料相關(guān)文獻(xiàn)得到的ΔK_th值c值代表K隨裂紋長度增加而變化的相對速率，其表達(dá)式為：其中K代表應(yīng)力強(qiáng)度因子a代表裂紋長度（mm）。Δa代表試驗(yàn)開始到試驗(yàn)結(jié)束裂紋長度的改變量（mm）。

所述的測量金屬材料疲勞裂紋擴(kuò)展門檻值的簡易方法，具體如下：

1.ΔK₁與ΔK_t的選取：根據(jù)所測材料選取合適的ΔK₁與ΔK_t。

2.單級或多級試驗(yàn)的確立：若可以采用單級試驗(yàn)的方法；若則建議采用多級試驗(yàn)的方法。