[發(fā)明專利]雙向疲勞裂紋擴(kuò)展速率測(cè)試方法及測(cè)試系統(tǒng)

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201610977883.0
• 申請(qǐng)日: 2016-11-08
• 公開（公告）號(hào): CN106568662B
• 公開（公告）日: 2019-02-12
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 賀小帆;董穎豪;曹淑森;李玉海
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京航空航天大學(xué)
• 主分類號(hào): G01N3/32
• 分類號(hào): G01N3/32
• 代理公司: 北京集智東方知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11578
• 代理人: 關(guān)兆輝;程立民

本發(fā)明涉及疲勞裂紋擴(kuò)展測(cè)試技術(shù)，具體涉及雙向疲勞裂紋擴(kuò)展速率測(cè)試方法及測(cè)試系統(tǒng)。該方法在試件中心預(yù)制半圓形缺口；將試件夾持在疲勞試驗(yàn)機(jī)上；施加交變載荷預(yù)制疲勞裂紋；采用恒定等幅循環(huán)載荷進(jìn)行疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)，試驗(yàn)中施加標(biāo)識(shí)載荷，在斷口留下供判讀標(biāo)識(shí)線；在工具顯微鏡下進(jìn)行斷口判讀，獲取標(biāo)識(shí)線沿試件寬度方向的半長(zhǎng)a、沿試件厚度方向的深度c，及對(duì)應(yīng)的交變載荷循環(huán)數(shù)N；求取夾持邊界條件下表面裂紋的應(yīng)力強(qiáng)度因子；根據(jù)a、c和N進(jìn)行裂紋擴(kuò)展速率估計(jì)，確定雙向疲勞裂紋擴(kuò)展速率參數(shù)n_A、C_A、n_B、C_B。本方法直接斷口上判讀裂紋形態(tài)和尺寸，結(jié)果準(zhǔn)確，無需額外設(shè)備，一次試驗(yàn)可得沿兩個(gè)方向的疲勞裂紋擴(kuò)展速率參數(shù)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及疲勞裂紋擴(kuò)展測(cè)試技術(shù)，具體而言，涉及雙向疲勞裂紋擴(kuò)展速率測(cè)試方法及測(cè)試系統(tǒng)。

背景技術(shù)

結(jié)構(gòu)在使用過程中會(huì)承受長(zhǎng)期的交變載荷作用，交變載荷作用導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生疲勞裂紋，疲勞裂紋的擴(kuò)展會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效，研究交變載荷作用下結(jié)構(gòu)的裂紋擴(kuò)展對(duì)保證結(jié)構(gòu)的安全和經(jīng)濟(jì)性具有重要意義。

結(jié)構(gòu)在使用過程中出現(xiàn)的典型裂紋形態(tài)有多種，可以歸為3類：(1)一維裂紋，如圖2a所示，為單邊穿透裂紋，裂紋從邊緣起裂，形成穿透裂紋，裂紋前緣平直，在垂直于載荷的方向擴(kuò)展，在圖2a所示坐標(biāo)系下用1個(gè)量即可表征裂紋的位置和尺寸；(2)二維裂紋，如圖2b所示，為中心穿透裂紋，從結(jié)構(gòu)內(nèi)部起裂，形成穿透裂紋，裂紋前緣平直，在垂直于載荷的方向擴(kuò)展，在圖2b所示坐標(biāo)系下，需用兩個(gè)量(中心位置和裂紋半長(zhǎng))確定裂紋位置和尺寸；(3)三維裂紋，裂紋前緣為曲線。如圖3a～圖3c所示，比較典型有表面裂紋、棱邊裂紋、孔邊裂紋、內(nèi)部裂紋等。為描述裂紋的位置和尺寸，需用多個(gè)量表征，如表面裂紋，要定義裂紋中心，長(zhǎng)軸和短軸長(zhǎng)度。

由于載荷和結(jié)構(gòu)形式的復(fù)雜性，結(jié)構(gòu)在使用過程中一般不會(huì)出現(xiàn)如圖2a和圖2b所示的一維和二維裂紋，這兩種裂紋形式主要用于研究材料的裂紋擴(kuò)展規(guī)律，建立裂紋擴(kuò)展分析方法。實(shí)際結(jié)構(gòu)在使用過程中，在絕大多數(shù)情況下產(chǎn)生的是如圖3a～圖3c所示的三維裂紋，建立三維裂紋擴(kuò)展壽命的分析方法具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

三維裂紋擴(kuò)展分析的核心是計(jì)算三維裂紋尺寸隨交變載荷作用次數(shù)的變化，材料的疲勞裂紋擴(kuò)展速率參數(shù)是進(jìn)行三維裂紋擴(kuò)展分析的基礎(chǔ)。眾所周知，疲勞裂紋擴(kuò)展速率參數(shù)的取值影響因素多：當(dāng)結(jié)構(gòu)幾何確定后，疲勞裂紋擴(kuò)展速率參數(shù)與材料取樣方向有關(guān)，如L，T，S向，不同方向的裂紋擴(kuò)展速率參數(shù)不同。三維裂紋往往呈現(xiàn)某種標(biāo)準(zhǔn)形態(tài)，如表面裂紋通常呈半橢圓形，孔邊裂紋和棱邊裂紋呈1/4圓或1/4橢圓，內(nèi)部裂紋呈圓形或橢圓形。在裂紋中心點(diǎn)明確時(shí)，疲勞裂紋擴(kuò)展過程中裂紋前緣形狀由長(zhǎng)軸和短軸長(zhǎng)度確定，應(yīng)取長(zhǎng)軸、短軸兩個(gè)方向的裂紋擴(kuò)展速率參數(shù)進(jìn)行裂紋擴(kuò)展分析，因此需要明確兩個(gè)方向的疲勞裂紋擴(kuò)展速率參數(shù)。

為了測(cè)試得到材料的疲勞裂紋擴(kuò)展速率參數(shù)，各國(guó)均開展了大量的材料疲勞裂紋擴(kuò)展速率測(cè)試方法的研究，形成了標(biāo)準(zhǔn)方法，如美國(guó)ASTM E647系列，歐洲BS ISO 12108系列，我國(guó)GB/T 6398系列。在上述標(biāo)準(zhǔn)中，給出了標(biāo)準(zhǔn)試件、試驗(yàn)系統(tǒng)、裂紋長(zhǎng)度測(cè)量方法、數(shù)據(jù)處理分析方法等，但上述標(biāo)準(zhǔn)均只能用于材料單一取樣方向(簡(jiǎn)記為單向，如L-S，S-T，L-T等)的裂紋擴(kuò)展速率測(cè)試。

按上述標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)試多個(gè)方向的疲勞裂紋擴(kuò)展速率參數(shù)，會(huì)產(chǎn)生如下問題：

(1)多個(gè)方向的疲勞裂紋擴(kuò)展速率參數(shù)只能分開測(cè)量，如果測(cè)試n個(gè)取樣方向的疲勞裂紋擴(kuò)展速率參數(shù)，按標(biāo)準(zhǔn)要求，則耗費(fèi)的試件數(shù)和時(shí)間是單向測(cè)試的n倍，而疲勞裂紋擴(kuò)展速率試驗(yàn)成本高，周期長(zhǎng)，必定會(huì)消耗大量的時(shí)間、人力和物力；

(2)標(biāo)準(zhǔn)方法對(duì)試件形式、尺寸等有嚴(yán)格要求，測(cè)試得到的是標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格試件的疲勞裂紋擴(kuò)展速率，而實(shí)際結(jié)構(gòu)的尺寸與標(biāo)準(zhǔn)材料尺寸不同，標(biāo)準(zhǔn)試件反映不了實(shí)際結(jié)構(gòu)的尺寸、應(yīng)力狀態(tài)等；