[發明專利]基于標識載荷的板材表面裂紋擴展測試方法

在審

• 申請號: 201810169773.0
• 申請日: 2018-02-15
• 公開（公告）號: CN110160895A
• 公開（公告）日: 2019-08-23
• 發明（設計）人: 賀小帆;董穎豪
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G01N3/32
• 分類號: G01N3/32
• 代理公司: 北京集智東方知識產權代理有限公司 11578
• 代理人: 關兆輝

本發明涉及材料測試領域，特別涉及基于標識載荷的板材表面裂紋擴展測試方法。通過初步試驗確定載荷譜參數，并基于試驗斷口分析結果進行載荷譜參數修正，用修正后的載荷譜對同類材料的其他試件進行測試，獲得相應數據。依據該方法可建立完整的用于裂紋擴展速率測試的載荷譜。該方法可完整的再現表面裂紋擴展全過程信息，為裂紋擴展行為研究和裂紋擴展速率測試提供重要的試驗方法。本發明采用基于同類材料參數和摸索試驗的載荷譜參數估計方法和基于摸索試驗斷口分析結果的載荷譜參數修正方法，可建立完整的用于裂紋擴展速率測試的載荷譜。

技術領域

本發明涉及材料測試領域，特別涉及基于標識載荷的板材表面裂 紋擴展測試方法。

背景技術

以表面半橢圓裂紋和1/4橢圓角裂紋為代表的部分穿透裂紋是飛 機結構中最為廣泛的裂紋形式。部分穿透裂紋的擴展壽命占據了結構 疲勞壽命的絕大部分。因此，針對部分穿透裂紋的裂紋擴展分析是飛 機結構損傷容限分析的重要工作之一。當前，用于部分穿透裂紋擴展 分析的材料性能數據通常是在實驗室條件下，按照相關標準采用含穿 透裂紋的標準試件測得的。對于具有明顯纖維方向的板材，如鍛件、 軋制板、采用增材制造或定向凝固工藝制造的金屬材料，材料沿不同 的擴展方向會表現出不同的裂紋擴展抗力。如果采用基于穿透裂紋獲 得的某一方向的材料裂紋擴展速率來分析這類結構中部分穿透裂紋的擴展過程，會出現較大誤差。在分析中引入材料裂紋擴展特性的各 向異性有助于提高分析精度，保證結構的安全性與經濟性。因此，不 同方向的材料裂紋擴展數據的獲取尤為重要。

對于典型的飛機結構，通常關注沿表面方向和厚度方向的裂紋擴 展特性。表面方向的裂紋擴展速率測試往往采用標準試件進行，然而 厚度方向的裂紋擴展速率測試會受到板材厚度的限制，無法基于標準 試件進行。為解決該問題，可考慮采用表面半橢圓裂紋進行裂紋擴展 速率測試。采用表面半橢圓裂紋(以下簡稱表面裂紋)可在同一試驗中 完成表面方向和厚度方向的裂紋擴展速率測試。因為前緣的約束或應 力狀態會對材料裂紋擴展抗力產生影響，含表面裂紋的試件模擬了實 際結構中部分穿透裂紋前緣的約束條件，所以相比于穿透裂紋，基于 表面裂紋得到的裂紋擴展數據更接近實際情況。

表面裂紋常表現為規則的半橢圓形或半圓形，其幾何描述常用裂 紋長度(2c)和裂紋深度(a)兩個參量。在裂紋擴展試驗中，需同時測 量表面長度和裂紋深度。表面長度可采用目視法測量，而裂紋深度難 以直接測量。為了測量表面裂紋的深度，發展了多種測試方法，包括 直流電位差法、交流電位差法、交流電場測量法、柔度法、超聲波法、 回火染色法、染色滲透法、標識載荷法。各類方法優缺點如下：

直流或交流電位差法能夠實現實時測量，且不受環境限制。缺點 是作為一種間接的測量方法，該方法需要建立校準曲線(校準曲線的 建立非常復雜)，且測量電位差的同時需要測量表面長度2c以結合校 準曲線導出a。此外，該方法對電位差計的敏感度要求較高，且裂紋 的部分閉合可能會導致短路，容易使得測量結果小于實際尺寸；

柔度法具有與電位差法相同的優點，其缺點是作為一種間接的測 量方法，該方法需要事先建立校準曲線或柔度與裂紋尺寸的關系式， 且對引伸計或應變計的敏感度要求較高。一般在測量柔度的同時，還 要測量裂紋表面長度。該方法的測量精度受到了引伸計或應變計的測 量精度以及校準曲線精度的限制；

超聲波法雖然不受到環境的限制，但是該方法復雜，將背景噪聲 與相關信號分離是該方法實施的難點，且此方法無法實時測量裂紋長 度；

回火染色法和染色滲透法均是在試驗過程中使裂紋在斷口上留 下反映其前緣位置的輪廓，試件斷裂后，在顯微鏡下進行定量斷口分 析獲得不同載荷循環數下的裂紋長度和深度。這兩種方法除了反映裂 紋尺寸信息，還可反映裂紋前緣形狀演變信息，缺點在于不能實時測 量，而且獲得的數據較少，回火染色和滲透染色時需要中斷試驗。對 于回火染色法，回火可能會改變材料的裂紋擴展特性，而對于染色滲 透法，染色有可能污染斷口，導致無法獲得有效數據。