基于复型与小时间尺度寿命预测的疲劳裂纹扩展测试方法

摘要

本发明公开了一种基于复型与小时间尺度寿命预测的疲劳裂纹扩展测试方法。步骤一，在试样上根据小时间尺度理论，从预制缺口位置到裂纹的临界扩展位置之间选取五个载荷周期，在每个载荷周期内的加载和卸载过程中分别对称选取十个测试点；步骤二，采用第一次复型方法获取各个测试点的微观形貌，并将所述复型后的样本置于扫描电镜下进行形貌观察影像采集；当裂纹扩展增量无法在扫描电镜下看清时，需进行步骤三的第二次复型；步骤三，再将二次复型后的样本置于透射电镜下进行形貌观察影像采集，根据照片测量疲劳裂纹扩展增量和CTOD。本方法适用于处于平面应变状态的金属构件疲劳裂纹扩展测试。

说明书

技术领域

本发明涉及一种疲劳裂纹扩展测试方法，具体涉及一种面向复型与 小时间尺度寿命预测的疲劳裂纹扩展测试方法，适用于处于平面应变状 态的金属构件。

背景技术

关于疲劳裂纹造成的疲劳破坏问题研究一直都是热点问题，疲劳寿 命预测是其中一个巨大的挑战。传统的疲劳损伤方法都是基于周期载荷 的分析方法，最早是根据S-N曲线，由于该方法时间尺度相对较大，故 一般用于描述材料或结构的最终疲劳寿命。目前疲劳寿命的主流研究方 法是基于疲劳裂纹平均每周期增长速率和应力强度幅值之间关系(Paris 公式)的模型，极大程度上缩小了疲劳模型的时空尺度，但其最小时间 尺度仍局限于一个载荷周期，无法适用于工程结构中复杂的变幅载荷情 况。针对此问题，有学者提出小时间尺度疲劳裂纹扩展分析方法，即以 连续的时间作为最小测量尺度，研究在一个载荷周期内任意时刻里疲劳 裂纹的开合以及增长的瞬时行为。

上述小时间尺度下疲劳裂纹扩展的分析是采用原位疲劳试验，通过 扫描电镜对裂纹尖端的连续变化行为进行拍照，从而测量出疲劳裂纹扩 展增量和CTOD(Crack Tip Opening Displacement，裂纹尖端张开位移)。 但由于原位疲劳试验机可施加的最大载荷有限，且扫描电镜放大倍数较 大造成所能观察到的范围较小，故仅适用于较薄较小的试样，然而这种 试样是处于平面应力状态的，但工程中的构件多为平面应变状态，使得 所研究的对象与工程实际结构不完全一致，因此，需通过其他方法获得 处于平面应变状态的常规试样在小时间尺度下的裂纹扩展数据。

发明内容

为了解决现有疲劳裂纹扩展测试方法中存在的测试精度不精确、预 估被试产品的剩余寿命不准确，本发明通过对裂纹形貌的微观观测，并 用数字信息表征裂纹扩展行为；为解决在小时间尺度疲劳寿命预测中， 由于实验装置的限制而导致试样尺寸具有局限性，提出了一种针对处于 平面应变状态金属构件的、基于复型与小时间尺度寿命预测的疲劳裂纹 扩展测试方法。该方法采用小时间尺度理论与多重影像采集进行分析， 但通过复型法获取试样表面的形貌，从而测量出疲劳裂纹扩展增量和 CTOD，以进行疲劳寿命的预测，提高了金属结构件的安全使用。

本发明的技术方案是：

步骤一，在试样上根据小时间尺度理论，从预制缺口位置到裂纹的 临界扩展位置之间选取五个载荷周期，在每个载荷周期内的加载和卸载 过程中分别对称选取十个测试点；

步骤二，采用第一次复型方法获取各个测试点的微观形貌，并将所 述复型后的样本置于扫描电镜下；当裂纹扩展增量能够清楚地在扫描电 镜下进行形貌观察，则采集影像；当裂纹扩展增量无法在扫描电镜下看 清时，需进行步骤三的第二次复型；

步骤三，将需要二次复型后的样本置于透射电镜下进行形貌观察影 像采集；根据形貌观察影像测量疲劳裂纹扩展增量和CTOD。

本发明提出的一种基于复型与小时间尺度寿命预测的疲劳裂纹扩展 测试方法，适用于处于平面应变状态的金属构件疲劳裂纹扩展测试。

本发明方法的优点和积极效果在于：

(A)、小时间尺度下疲劳裂纹扩展的分析以连续的时间作为最小时 间尺度，它做为一套新的理论体系收到了极为广泛的关注。但是，由于 其试验装置的对试样尺寸的限制，这种分析方法只能适用于平面应力状 态的构件，而工程实际中的构件则多处于平面应变状态，这一局限性阻 碍了小时间尺度理论不能完全适用于工程中。在本发明方法中，通过复 型方法将处于平面应变状态试样的疲劳裂纹形貌转移到了醋酸纤维薄膜 上。这样一来，无论试样为何形状尺寸，均可以将其疲劳裂纹的形貌置 于扫描电镜下进行观察。本发明方法填补了小时间尺度下无法对平面应 变状态构件进行疲劳裂纹分析的难题，进一步完善了小时间尺度疲劳裂 纹扩展分析方法的体系。

(B)、虽然也可以由平面应力状态下的结果通过一定理论推导得到 平面应变状态下的寿命预测模型，但其准确性和有效性还有待考证。本 发明方法是完全基于平面应变状态试样进行裂纹扩展试验的预测方法， 可通过这些试验数据得到实际的结果，并将其与理论推导进行对比和验 证，通过完善使得理论预测模型更为精确。

(C)、本发明方法对所有铝合金、钛合金、高温合金、结构钢等金 属材料具有通用性，适用范围非常广泛。

(D)、工程实际结构中的结构多受到复杂变幅载荷，然而定义载荷 周期序列是十分困难的。小时间尺度的疲劳裂纹扩展测试方法是研究任 一载荷周期内不同时刻下，疲劳裂纹的开合行为和疲劳裂纹增长行为， 建立基于小时间尺度的疲劳裂纹扩展模型，从而实现复杂载荷谱下结构 的疲劳寿命预测。

附图说明

图1是本发明选用试样的规格图。

图2A是本发明的恒幅载荷谱。

图2B是本发明的复杂变幅载荷谱。

图2C是本发明的每个载荷周期内所选取的测量点是示意图。

图3是本发明的复型形貌照片。

图4A是本发明的试样表面复型位置的示意图。

图4B是本发明的测量裂纹扩展增量的照片。

图5是本发明的裂纹扩展增量—CTOD的关系曲线。

图6是本发明测量裂纹扩展增量的流程图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。

参见图6所示，本发明采用复型与小时间尺度手段对航空7050系列 铝合金材料进行疲劳裂纹扩展测试，测试的目的是为了解决现有疲劳裂 纹扩展测试方法中存在的测试精度不精确、预估被试产品的剩余寿命不 准确造成寿命预测不准，本发明通过对裂纹形貌的微观观测，并用数字 信息表征裂纹扩展行为，从而测量出疲劳裂纹扩展增量和CTOD，以进行 疲劳寿命的预测，提高了金属结构件的安全使用。

制备试样

在本发明中，试样采用GBT6398-2000《金属材料疲劳裂纹扩展速率 试验方法》中的标准SE(B)试样。

为了方便说明，试样如图1所示，W表示试样的宽，长是宽的4.2倍。 为避免单个试样测试所产生的误差，至少加工三个试样进行本发明提出 方法的疲劳裂纹扩展测试。

在标准SE(B)试样上预制缺口，缺口深度为0.1W。

本发明提出的基于复型与小时间尺度寿命预测的疲劳裂纹扩展测试 方法，包括有下列步骤：

步骤一：测试点选取

在标准SE(B)试样上，从预制缺口长度到裂纹临界尺寸的增长范围内 选取五个载荷周期，在每个载荷周期内的加载和/或卸载过程中分别对称 选取十个测试点；五个载荷周期如图2A所示，N₁，N₂，N₃，N₄，N₅；从中 任意选取合适的载荷周期进行复杂变幅载荷谱试验，如图2B所示。

在本发明中，在每个载荷周期内，若为恒幅加载类型，则在加载过 程中选取10个测试点i，即i＝1、2、3、…、10。

在本发明中，在每个载荷周期内，若要研究恒幅载荷下的裂纹尖端 闭合现象或研究复杂变幅载荷谱，则需在加载过程和卸载过程分别对称 选取十个测试点i，如图2C所示。

在本发明的测试进行过程中，若发现加载时在前几个测试点处总是 没有裂纹张开，只有当应力水平达到一定值时裂纹才开始张开，则记录 该点所对应的应力强度因子K，则在其之后几个载荷周期的试验中可不对 该点之前的测试点进行复型。产生这种现象的原因是由裂纹闭合现象引 起的。由于裂纹扩展增量和CTOD的值都是逐渐增加的，故为使测量结果 更加均匀，所选载荷周期和测试点应尽量逐渐趋于密集。

步骤二：第一次复型获取各个测试点的微观形貌

步骤21：当缺口位于第N(N＝N₁，N₂，N₃，N₄，N₅)个载荷周期内第i (i＝1、2、3、…、10)个测试点时，停止循环载荷并对试样施加静态载 荷；

步骤22：用蘸有丙酮的棉花球清洗缺口表面，分别在N₁，N₂，N₃，N₄， N₅五个载荷周期进行复型测量，在醋酸纤维素薄膜上滴1-2滴丙酮，然后 分别将其轻轻附着在试样裂纹侧表面。待膜干燥5min后，用镊子夹住膜 的端部，自上而下从缺口表面缓慢地剥落下来；

在本发明中，为帮助辨别膜的方位，可剪去膜的其中一个角。

步骤23：为保证得到有效的复型结果，分别在裂纹两个侧表面分别 进行三次复型，复型方法重复步骤22，每个测试点共得到6片醋酸纤维 薄膜；

步骤24：将用于复型后的醋酸纤维薄膜平整粘贴在贴有双面透明胶带 的玻璃片上，并贴上相应的复型序号，复型序号应与载荷周期数和该载 荷周期内的应力水平相对应。

在本发明中，进行步骤24时注意保证平直、棱角清晰和无扭曲，避 免受到损伤。

步骤25：将所有样本置于扫描电镜下观察(可从最后一个复型样本 开始观察直到第一次复型样本，也可以顺次进行观察)，若样本在扫描电 镜下有清晰的图像，则直接对其形貌图像采集，根据形貌观察影像测量 疲劳裂纹扩展增量和CTOD；若样本在扫描电镜下观察图像比较模糊的， 则进行第二次复型。

观察第一次复型样本之后的裂纹微观形貌，如图3所示。由于扫描 电镜的放大倍数有限，放大倍数通常在5000～10000倍之间，所能观察 到的最小长度一般为0.1～0.2μm。

在本发明中，当裂纹扩展大于0.2μm时，直接将上述复型后的样本 置于扫描电镜下观察即可；而当裂纹扩展小于0.1μm时，扫描电镜难以 观察到裂纹扩展的增量，此时需进行二次复型，之后置于透射电镜下观 察。

在本发明中，根据第一次复型后的每个试样在疲劳试验中所得到的 裂纹长度-循环周次的数据，估算在第N个循环周次第i个测试点处样本 的裂纹扩展增量和CTOD，判断该样本是否需要进行二次复型。对于裂纹 扩展增量和CTOD不能同时大于0.2μm的样本，需要进行二次复型，之 后置于透射电镜下观察。

步骤三：第二次复型获取各个测试点的微观形貌

将经步骤25筛选后的不能在扫描电镜下观察的样本进行表面做喷碳 处理，如图4A中的(a)所示，注意应使碳膜1均匀喷涂在样本基体2 上，且控制碳膜厚度在20μm以内(如图4A中的b)。根据该样本所处循 环周次对应的裂纹长度，大致确定裂纹尖端的位置，将样本剪成约3mm 见方的小块，将其置于丙酮试剂中以溶解醋酸纤维薄膜。当碳膜浮起约2 分钟，将碳膜转移到另一个盛有新鲜丙酮试剂的量杯内，再漂洗5分钟。 然后用样品拖网直接在丙酮量杯内或将碳膜置在蒸馏水面展开后在捞 取，经干燥后得到裂纹尖端转换样本3(如图4A中的c)，即可在透射电 镜下观察，并进行拍照。

根据透射电镜下所拍摄的照片测量各裂纹尖端转换样本的疲劳裂纹 扩展增量和CTOD，如图4B所示。做出每个循环周次内的裂纹扩展增量 Δa-CTOD的关系曲线，并用该循环周次峰值应力所对应的最大应力强度 因子K_max值表征这条曲线，如图5所示。图中，四个循环周次内的裂纹扩 展增量分别为：第一个周次的最大应力强度因子值记为K_max1、第二个周次 的最大应力强度因子值记为K_max2、第三个周次的最大应力强度因子值记为 K_max3和第四个周次的最大应力强度因子值记为K_max4。

本发明提供的面向复型与小时间尺度寿命预测的疲劳裂纹扩展测试 方法，针对处于平面应变状态下的试样，通过复型技术对材料在一个载 荷周期内任意时刻里疲劳裂纹的开合以及增值行为进行观测，为材料的 疲劳寿命预测提供基础。该方法不仅突破了传统疲劳寿命分析方法基于 周期载荷分析的缺陷，以及无法在更小时间尺度下对疲劳裂纹进行更本 质的观测和研究的问题，更解决了目前小时间尺度分析方法只能分析处 于平面应力状态下的试样的局限性，使得实际的损伤分析结果与工程结 构更为接近，提高了疲劳损伤分析的准确性和可信度。