一种轴向加载低周疲劳裂纹萌生的试验测量方法

摘要

本发明介绍了一种轴向加载低周疲劳裂纹萌生的试验测量方法，包括选择参数作为试验测量的依据、设置应力衰减百分数，作为试样失效的判决依据；确定试验方程并计算出不同应力衰减量对应的裂纹萌生等效长度；选择参数并输入到试验程序中；设置试验控制模式参数；随着试验的进行，裂纹开始萌生，当达到指定应力衰减量时自动停止；载荷循环次数即为设定应力衰减量下的裂纹萌生寿命。本发明通过简单试验获得金属材料在轴向加载方式下，低周疲劳裂纹萌生的任一等效长度及裂纹萌生寿命，获得的裂纹萌生等效长度与试验测量值的最大误差不超过5%，便于实际操作，测量精度较高，可为试验材料在工程上的应用提供依据。

说明书

技术领域

本发明涉及一种疲劳性能测试技术，特别是一种轴向加载低周疲劳裂纹萌生的试验测量方法。

 

背景技术

金属材料的疲劳裂纹扩展速率与门槛值及断裂韧度等指标的试验方法均已有国家标准（GB/T 6398-2000“金属材料疲劳裂纹扩展速率试验方法”与GB/T 21143-2007“金属材料 准静态断裂韧度的统一试验方法”），而裂纹萌生的测试方法仍处于探索阶段，没有统一的标准。这是因为不同领域的人对裂纹萌生尺度的认识存在差异，如材料科学家认为裂纹沿驻留滑移带的形核是疲劳失效的初始阶段，而机械工程师则认为根据裂纹检测技术的分辨率来确定疲劳裂纹形核的临界值。另外，测量技术的局限也给建立试验标准设置了障碍。目前人们对裂纹萌生的测量技术一般采用复型法、电位法和长焦距显微镜观察法。其中复型法采用醋酸纤维薄膜每隔一段时间在试样表面复下一层膜，然后在显微镜下进行观察，虽然测量数据准确，但操作烦琐；电位法有直流、交流、交直流翻转电位法和脉冲电位法等，这些方法均需要专门的测量系统，应用前需要进行标定，测量精度受多种因素的影响，操作起来也不够方便；用长焦距显微镜观察疲劳裂纹，也只能测量表面的裂纹，且劳动强度较大。对于轴向加载的低周疲劳试验用光滑圆棒形试样，裂纹萌生具有多源性、同时沿表面及纵深方向扩展的特点，采用以上几种方法显然是不合适的。

为了预测裂纹萌生寿命，国内外许多学者基于不同的理论提出了不同的预测模型，如Mansion-Confin模型、细观力学模型、概率模型、Miner线性累计模型等，然而不同的预测模型都存在着这样或那样的问题，具有一定的局限性，也不便于通过试验测量和验证。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种轴向加载低周疲劳裂纹萌生的试验测量方法，解决常用的采用光滑圆棒形试样测量轴向加载低周疲劳裂纹萌生及萌生寿命不易进行、而获取裂纹萌生寿命在工程上进行全寿命设计时又是必要的这一难题，本发明基于材料一旦萌生裂纹其承载能力必然下降的损伤力学原理，建立了轴向加载低周疲劳裂纹萌生等效长度与应力衰减量之间的函数关系，而应力衰减量是可以通过试验获得的，据此，只要通过试验改变应力衰减量的大小，就可以得到裂纹萌生的任一等效长度，而对应的循环寿命，就是试验材料的裂纹萌生寿命。利用本发明提出的试验方法，可以获得金属材料轴向加载低周疲劳裂纹萌生及萌生寿命，便于材料在工程上的设计与应用。

为了实现解决上述技术问题的目的，本发明采用了如下技术方案：

本发明的一种轴向加载低周疲劳裂纹萌生的试验测量方法，包括如下过程：

1、试验参数的选择，选择如下参数作为轴向加载低周疲劳裂纹萌生的试验测量的依据：

θ：等效裂纹的扩展方向与过损伤试样面和试样边界交点半径的夹角；

π：圆周率；

r：试样半径；

d：裂纹等效长度；

A_D：试样原始截面积；

ΔA_D：试样面积减少量；

D：损伤变量；

S：稳定应力；

ΔS：应力衰减量；

N_i：裂纹萌生寿命，单位：次；

2、设置应力衰减百分数，作为试样失效的判决依据；衰减百分数一般可以为0~100%，典型值为25%~100%，具体选择多少，主要依赖于试验材料的应用工况条件及其本身特性。试验可以采用一个试样，也可以采用多个试样；

3、确定如下试验方程：

方程1：θ=arccos((r-d)/r)；

方程2：ΔA_D=r²θ-r(r-d)*sinθ；

方程3：d=r-(rθ-πΔA_Dθ)/sinθ；

方程4：D=1-ΔS/S；

方程5：D=1-ΔA_D/A_D；

方程6：ΔA_D/A_D=ΔS/S；

方程7：ΔS/S=-0.2073*(d/r)³+0.521*(d/r)²+0.1887*(d/r)-0.004；

4、根据上述方程1-7，计算出不同应力衰减量对应的裂纹萌生等效长度；

5、选择轴向加载低周疲劳试验引伸计及有效量程、试验程序、试样形式，测量试样尺寸及试样材料弹性模量等参数，并输入到程序中；

所述的试验程序，是能够使计算机自动计算方程1-7的计算结果，并根据输入的判断条件，也即根据设置的应力衰减百分数，作为试样失效的判决依据，终止试验的程序；

6、设置试验控制模式为应变控制或者应力控制、应变或者应力幅大小、应变比、加载波形、试验频率参数；

更具体优选的，设置试验控制模式为应变控制、应变幅大小为0.05%～2.0%、应变比为-1～0.1、加载波形为三角波、试验频率为0.1Hz～1.0Hz；

7、启动试验机，开始试验，随着试验的进行，裂纹开始萌生，当达到指定应力衰减量时，试验自动停止；

8、记录载荷循环次数，该次数就是设定应力衰减量下的裂纹萌生寿命。

本试验测量方法的原理在于：

低周疲劳一般用应变控制，因此，低周疲劳又叫应变疲劳。试样在恒定的应变幅控制与作用下，材料内部晶粒会因反复滑移而形成微裂纹，从而造成材料的损伤，材料有效的承载面积会相应减少，使得材料所能承受的载荷下降，材料所受到的名义应力也逐渐衰减。假设裂纹只在一处萌生，或者可以将在同一截面或不同截面上多处萌生所产生的损伤效果等效于裂纹只在一处萌生的损伤效果，那么，应力的衰减量和这条裂纹扩展的长度应该满足某一数学关系，当试验刚开始时，裂纹尚未萌生，应力不会变化，当裂纹开始萌生并扩展使得材料彻底断裂时，应力衰减到零。也就是说，裂纹扩展所扫过的试样面积减少量与原始试样面积之比应该与应力的衰减量与稳定应力之比，存在一定数学关系。而试样面积的减少量和裂纹的扩展长度是存在一定的数学关系的，这就为建立裂纹萌生等效长度与应力衰减量的关系提供了思路。应力的衰减量可以通过试验测量，根据建立起来的裂纹萌生等效长度与应力的衰减量数学关系，就可以求得裂纹萌生的等效长度，而对应的循环次数，就是试验材料的裂纹萌生寿命。关键是是否可以建立应力衰减量与裂纹萌生等效长度的正确关系，这需要一步步分析进行。

试验表明，低周疲劳裂纹萌生呈现多源性。多个裂纹源有时在同一个垂直于载荷方向的截面上，而有时不在同一个垂直于载荷方向的截面上。不管是否在同一个截面上，它们所产生的损伤效果，总可以等效为一条裂纹在某一截面上的损伤效果。具体地说，无论多条裂纹所扫过的面积是否规则，裂纹前缘的形貌是凸出来的，还是凹进去的，是线性的，还是曲线形状的，总可以等效为一个规则的裂纹及其所扫过的规则的面积，可以用图1表示。

在等应变幅控制的低周疲劳加载过程中，由于材料的损伤，材料所能够承受的有效面积在逐渐减小，因此所能够承受的载荷也在逐渐减小，而在低周疲劳的试验测试中，是假定试件工作面积不变的，因此应力也同样会衰减，为此，也可以通过测量应力的变化来表征材料的损伤，即方程4。另外，根据损伤的物理意义，实质上是表示丧失承载能力的面积与初始无损伤时的原面积之比，即方程5。根据损伤的一致性原理，试样面积的减少量与原始截面积的比值ΔA_D/A_D应该等于名义应力的衰减量与稳定应力（一般以试样失效寿命的一半所对应的应力作为稳定应力）的比值ΔS/S,可以得到方程6。试验结果表明，当应力衰减百分数达到50%时（对应裂纹等效长度d为试样半径r ），试样便迅速失稳，因此，以上关系式中的参量满足下列边界条件：0≤ΔS/S≤0.5，0≤d≤r 。

在试验之前，圆棒形试样的工作半径r是需要确定的（一般r≥3mm），此处取r=5mm，根据方程6，同时考虑量纲的一致性，取一系列的有效数据，可以通过数据拟合得到轴向加载低周疲劳裂纹萌生等效长度及应力衰减量的函数方程7，如图4所示。

这些技术方案也可以互相组合或者结合，从而达到更好的技术效果。

通过采用上述技术方案，本发明具有以下的有益效果：

本发明基于损伤力学的基本原理，提出了一种低周疲劳裂纹萌生等效长度及其萌生寿命的试验测量方法，采用本发明提出的方法，可以通过简单试验获得金属材料在轴向加载方式下，低周疲劳裂纹萌生的任一等效长度及裂纹萌生寿命，可以满足不同领域人们对裂纹萌生及萌生寿命的研究。试验证实，利用本发明方法获得的裂纹萌生等效长度与试验测量值的最大误差不超过5%，因此，本方法不仅便于实际操作，而且测量精度较高，获得的裂纹萌生数据可为试验材料在工程上的应用提供依据。

附图说明

图1是低周疲劳裂纹萌生等效长度的几何模型之多条裂纹及扫过面积示意图。

图2是低周疲劳裂纹萌生等效长度的几何模型之等效成一条裂纹及扫过面积示意图。

图3是是裂纹萌生等效长度d、d所扫过的面积ΔA_D以及试样半径r之间的关系示意图。

图1中，a₀、b₀、c₀是位于同一截面或不同截面上萌生的裂纹长度，裂纹扩展所扫过的面积（图中阴影部分）分别为A、B和C。三条裂纹（也可能是更多条）所产生的损伤效果等同于图2中长度为d的裂纹及其所扫过的面积ΔA_D。图3显示了裂纹萌生等效长度d、d所扫过的面积ΔA_D以及试样半径r之间的几何关系。

图4是ΔS/S—d/r的关系曲线图及其方程。

从图4可见，应力衰减量ΔS与稳定应力S的比值ΔS/S及裂纹萌生等效长度d与试样半径r的比值d/r存在较好的一元三次递增多项式关系，利用该关系，可以通过计算获得任一裂纹萌生等效长度下的应力衰减量或任一应力衰减量下裂纹萌生的等效长度，再以该应力衰减量作为失效判据，通过试验获得裂纹萌生寿命。

具体实施方式

实施例

根据以上的分析及试验方法，采用800MPa级10CrNiMo钢，加工6件圆棒形光滑试样，试样半径r为5.0mm。在0.6%应变幅控制下，应变比为-1，三角波形，试验频率为0.2Hz，应力衰减量ΔS与稳定应力S的比值ΔS/S分别取5.33、7.35、9.35、14.0、16.6和19.17进行试验，试验结束后，发蓝，然后将试样打断，通过金相法测量裂纹扫过的实际面积A，再换算出实际的裂纹萌生等效长度，和采用本方法直接测量的裂纹萌生等效长度进行比较，结果见表1。

表1  本方法试验裂纹萌生等效长度与实际测量值比较

从表1可见，利用本发明方法获得的裂纹萌生等效长度与试验测量值的最大误差不超过5%，因此，采用本发明提出的试验测量方法，可以获得金属材料在轴向加载方式下，低周疲劳裂纹萌生的任一等效长度及裂纹萌生寿命，满足不同领域人对裂纹萌生及萌生寿命的研究，也可为材料或工程构件的设计与全寿命评估提供参考。