[發明專利]一種測量焊接板件垂直于焊縫方向的本征疲勞裂紋擴展速率的方法

在審

• 申請號: 201611035960.7
• 申請日: 2016-11-22
• 公開（公告）號: CN106596261A
• 公開（公告）日: 2017-04-26
• 發明（設計）人: 鮑蕊;許耀午;劉浩
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G01N3/08
• 分類號: G01N3/08
• 代理公司: 北京永創新實專利事務所11121
• 代理人: 姜榮麗

技術領域

本發明屬于固體力學領域，涉及的是一種焊接工藝引起的材料微觀結構的改變對疲勞裂紋擴展速率影響的測量方法，具體是指在恒定應力強度因子變程和恒定有效應力比下測量焊接件疲勞裂紋擴展速率的方法。

背景技術

先進焊接技術由于結構重量輕，加工效率高，經濟效益好等諸多優點在航空工業領域得到了廣泛應用，但同時也為結構的損傷容限評估帶來了新的挑戰。疲勞裂紋擴展壽命預測是損傷容限評估的一項重要內容，故而研究焊接結構的疲勞裂紋擴展速率具有重要意義。

焊接工藝對結構裂紋擴展速率的影響主要體現在以下兩個方面：首先，焊接過程中陡峭的熱梯度以及不均勻變形會引入殘余應力，從而改變結構的受力狀態，影響其裂紋擴展速率。其次，焊接過程也使得材料的微觀結構發生變化，晶粒的大小，材料的硬度及力學性能也會與母材不同。然而，現有的裂紋擴展壽命預測模型中只考慮了殘余應力的因素，而忽略了微觀結構的改變對裂紋擴展速率造成的影響，主要原因是缺少材料微觀結構改變后的裂紋擴展特性的研究。測量焊接結構本征裂紋擴展速率的方法通常有兩種，一種是基于塑性拉伸的方法，另一種則是基于殘余應力疊加模型并與經驗公式相結合的預測方法。

基于塑性拉伸的方法較為簡便，即在進行疲勞試驗之前，先將焊接結構拉伸2％的塑性應變來釋放焊接過程引入的殘余應力，從而得到僅有微觀結構改變影響下的裂紋擴展速率。但此方法也有以下缺點：拉伸2％的塑性應變并不能完全釋放結構中的殘余應力(事實上大約釋放90％)，且拉伸過程所形成的塑性區會對裂紋擴展尖端塑性區產生影響。此外，拉伸過程進一步改變了材料的微觀結構。這些因素都影響了測量本征裂紋擴展速率的準確性。

Xiang Zhang和Rui Bao(參見文獻[1]Zhang X,Bao R.Evaluation of the intrinsic crack growth rates of weld joints[J].International Journal of Fatigue,2011,33(4):588-596.)提出了基于殘余應力疊加模型并與經驗公式相結合的預測本征裂紋擴展速率的方法。它的思路是先通過基于殘余應力疊加模型(參考文獻[2]Glinka G.Effect of residual stresses on fatigue crack growth in steel weldments under constant and variable amplitude loads[C]//Fracture Mechanics:Proceedings of the Eleventh National Symposium on Fracture Mechanics:Part I.ASTM International,1979和參考文獻[3]Parker A P.Stress intensity factors,crack profiles,and fatigue crack growth rates in residual stress fields[M]//Residual stress effects in fatigue.ASTM International,1982.)的經驗公式計算獲得僅有殘余應力影響下的裂紋擴展速率，然后再用試驗測得的焊接結構的裂紋擴展速率減去這個速率，即可獲得微觀結構改變對裂紋擴展速率的影響。這種方法較為復雜，而且基于經驗公式的計算使得方法的準確性有待考究。

發明內容

本發明要解決技術問題為：克服現有技術的不足，提供一種測量焊接板件垂直于焊縫方向的本征疲勞裂紋擴展速率的方法，只需要在給定的恒定應力強度因子變程和恒定有效應力比條件下進行疲勞試驗，即可直接獲得焊接結構的本征裂紋擴展速率。

本發明提供一種測量焊接板件垂直于焊縫方向的本征疲勞裂紋擴展速率的方法，該方法步驟為：

第一步、殘余應力測量：通過常用殘余應力測量方法測量焊接板件縱向(平行于焊縫方向)的殘余應力；

第二步、加工試件：按照裂紋擴展試驗要求，將焊接板件加工為裂紋擴展方向垂直于焊縫的緊湊拉伸試件，其具體尺寸應符合測量疲勞裂紋擴展速率的標準ASTM E647的要求。

第三步、結合試件的具體尺寸，計算不同裂紋長度下殘余應力應力強度因子；

第四步、通過殘余應力疊加模型，并結合給定的恒定應力強度因子變程和恒定有效應力比，計算出不同裂紋長度下所應施加的外加載荷；