CN103323351A - 一种悬臂弯曲加载金属材料疲劳损伤的试验测量方法 - Google Patents

Abstract

一种悬臂弯曲加载金属材料疲劳损伤的试验测量方法，根据损伤等效性原理，基于金属材料发生疲劳损伤时其施力点位移特征量必然发生变化的事实，并结合材料疲劳损伤变量的数学定义

通过试验建立光滑板状试样疲劳损伤量和施力点位移特征量之间的函数关系，在光滑板状试样设置约束面(1)、缺口(2)、悬臂区(3)以及循环载荷P的施力点(4)，从而可以时时监测光滑板状试样的疲劳损伤量，再和光滑板状试样的疲劳损伤量临界值进行对比，就能够对金属材料或金属构件的安全可靠性服役进行评估，本发明只是从一个方向揭示了金属材料疲劳损伤的定量试验，但从宏观上测量金属材料的疲劳损伤提供了可能，具有推广应用之价值。

Description

一种悬臂弯曲加载金属材料疲劳损伤的试验测量方法

技术领域

本发明属于金属材料疲劳损伤技术领域，尤其是一种悬臂弯曲加载金属材料疲劳损伤的试验测量方法。

背景技术

金属材料在冶炼及成型加工过程中，内部不可避免地存在微空洞、微裂纹和微孔隙等各种各样的微缺陷，这种微缺陷在疲劳载荷作用下，会进一步衍生和扩展，使材料和结构的性能劣化，从而造成构件或结构的疲劳强度下降和剩余寿命降低，进而对工程构件或结构的安全使用造成威胁。工程中由于材料受到循环载荷的持续作用而使构件或结构发生疲劳断裂的现象屡见不鲜。疲劳的过程实际上是一个损伤累积的过程，当损伤量达到材料的损伤临界值时，构件或结构便发生疲劳失效。

由于材料的疲劳损伤是一个微观的动力学行为，因此，到目前为止，采用试验的方法从微观上直接测量还比较困难，也未见国内外有关疲劳损伤的试验测量标准和相关报道。材料疲劳损伤的宏观体现是构件或结构相应力学指标如刚度、弹性模量、疲劳强度等的降低，一些学者也研究了在疲劳损伤过程中以上部分参量的损伤特性，这为从宏观上间接测量材料疲劳损伤提供了依据。然而，以上参量与材料的疲劳损伤有何对应关系及其复杂性，以及如何通过试验手段来测量，目前没有见到有这方面的报道。

在悬臂弯曲加载方式下，通过载荷控制模式，采用光滑板状试样，在进行10CrNiMo结构钢S-N疲劳曲线测试时发现，材料的疲劳损伤和试样施力点位移的特征量存在一定关系。试样施力点位移特征量包括可以通过试验软件数据采集直接获得的峰值、谷值及由此计算出的幅值和均值。基于损伤等效性原理基础上的试验结果表明，材料的疲劳损伤和试样施力点位移的特征量峰值具有较好的相关性，而与试样施力点位移的特征量谷值先关性不明显。为此，研究并建立材料的疲劳损伤量和试样施力点位移的特征量峰值的关系，试图建立悬臂弯曲加载方式下金属材料疲劳损伤的试验测量。

发明内容

针对金属材料的疲劳损伤对工程构件或结构的安全使用构成了严重威胁，而从微观上直接测量存在较大困难、从宏观上间接测量又未见报道的难题，本发明根据疲劳损伤的等效性原理，并结合材料疲劳损伤变量的数学定义，通过试验建立材料疲劳损伤变量和材料施力点位移特征量之间的函数关系，实现从宏观上间接测量材料疲劳损伤量的大小，从而为工程构件或结构的安全可靠性服役提供评估依据。

为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

一种悬臂弯曲加载金属材料疲劳损伤的试验测量方法，采用光滑板状试样并由10CrNiMo结构钢制作而成，光滑板状试样总长度为420mm，约束面尺寸长×宽×厚=120mm×63mm×20mm，在光滑板状试样设置上下对称的半圆弧缺口，缺口半径R为55mm，缺口处的宽度W为63mm而其厚度t为12.7mm，悬臂长为245mm，循环载荷P的施力点距非约束端的距离L为35mm，通过光滑板状试样处于悬臂弯曲加载方式下的S-N疲劳曲线发现，疲劳裂纹萌生于光滑板状试样的缺口处附近且垂直于光滑板状试样的长度方向，疲劳裂纹产生数条，在循环载荷P作用下，数条疲劳裂纹不断沿缺口处的宽度和厚度方向进行扩展，扩展到一定程度后相互合并，最终导致光滑板状试样在缺口处产生疲劳断裂；如前所述，疲劳损伤的过程实际上是一个损伤累积过程，随着疲劳裂纹的不断扩展，疲劳损伤也不断累积，当累积达到损伤临界值时就会导致光滑板状试样疲劳失效；由于疲劳断裂之前，光滑板状试样往往没有明显的宏观塑性变形，因此这种断裂形式危险性极高；能否在光滑板状试样断裂之前就采用一定的技术手段，测试出其疲劳损伤量，然后和损伤临界值比较以判断光滑板状试样的剩余疲劳寿命？

试验结果表明：在恒定的循环载荷作用下，随着光滑板状试样疲劳损伤的累积增加，光滑板状试样在施力点的位移特征量如峰值、谷值及由此计算出的幅值和均值也会发生相应变化，如果能够建立试样疲劳损伤大小和施力点的位移特征量关系，那么就可以在任一时刻通过测量施力点的位移特征量变化而获得该时刻光滑板状试样的疲劳损伤大小；然而要想建立光滑板状试样疲劳损伤大小和施力点的位移特征量关系，需要通过数据处理回归的方式获得上述二者间的关系，施力点的位移峰值和谷值变化可以通过计算机数据采集得到，幅值和均值可以通过峰值和谷值计算得到，关键是如何测量试样疲劳损伤的大小；

根据损伤力学理论，可以用一个损伤变量D来描述光滑板状试样的疲劳损伤情况，并用下式来定义损伤变量的大小：

$D=1-\frac{A\text{'}}{A}=\frac{\mathrm{\ΔA}}{A}$

上式中，A为缺口处的初始面积，A′为试样实际承载面积，△A为材料损伤后不能承载的试样面积；

根据上式可见：缺口处的初始面积A可以通过A=Wt得到，只要能测量出任一时刻缺口处因受疲劳损伤而减少的面积△A，就能够计算出相应时刻光滑板状试样的损伤变量D，然而如上所述，疲劳裂纹的萌生具有多源性，很难直接测量出缺口处上下表面由于数条裂纹而减少的面积△A；

根据损伤的等效性原理，即由数条疲劳裂纹萌生而使光滑板状试样有效承载面积减少所造成的疲劳损伤对应于相应位移特征量的变化，总可以等效为一条表面裂纹由于扩展而减少光滑板状试样有效承载面积所造成的疲劳损伤，而一条表面裂纹由于扩展而减少的光滑板状试样承载面积是可以测量出的，从光滑板状试样横断面产生半椭圆状表面裂纹的扩展示意简图来看，其椭圆面积涉及到初始表面裂纹缺口长度2c₀和初始表面裂纹深度a₀这两个参数，只要能够测量出扩展表面裂纹缺口长度2c和扩展表面裂纹缺口深度a，就能够计算出光滑板状试样减少的承载面积；为便于观察，在光滑板状试样的上缺口处加工出一个近半椭圆形的初始裂纹，初始裂纹的面积A_缺口=1/2πa₀c₀，在恒载荷循环作用下，初始裂纹不断沿其长度和深度方向进行扩展，不断的等间隔测量初始裂纹处的面积变化量，即△A=A_当前-A_缺口=1/2πac-1/2πa₀c₀=1/2π(ac-a₀c₀)，并与施力点的位移特征量建立数学关系，从而就可以实现间接测量光滑板状试样的疲劳损伤量；

本发明的特征是：

①加工3-5件光滑板状试样，并对光滑板状试样逐一进行编号，在光滑板状试样缺口处的上表面采用铣切的方式加工一个引发表面裂纹扩展的初始裂纹，初始裂纹的2c₀=2.0mm，初始裂纹的a₀=1.0mm，光滑板状试样在悬臂弯曲加载方式下进行疲劳试验；

②采用精度不低于0.02mm的量具测量光滑板状试样缺口处的宽度W、厚度t以及所述L；

③将光滑板状试样的约束面夹持在试验机上，循环载荷P=4.0kN,试验频率f=1.0Hz，试验波形为正弦波；

④启动所述试验机开始试验，在试验过程中采用精度为0.01mm的工具显微镜，定期测量和记录初始裂纹的扩展长度，同时采集施力点的位移特征量峰值和谷值；

⑤分析处理初始裂纹的扩展长度并将采集到施力点的位移特征量峰值和谷值来计算出幅值和均值，寻求相关性较好的一组建立扩展表面裂纹缺口长度2c与施力点位移特征量峰值D_p的数据分布关系图及拟合方程；

⑥试验过程中，每一件光滑板状试样当初始裂纹扩展到不同长度后，取下光滑板状试样进行发蓝处理约半小时，发蓝温度控制在300～400℃，当光滑板状试样冷却后重新安装到所述试验机上继续进行上述试验；

⑦当光滑板状试样即将失稳时将所述试验机的控制模式由载荷转换为位移，并采用二次疲劳的方式打断光滑板状试样，用工具显微镜测量扩展表面裂纹缺口长度和扩展表面裂纹缺口深度，建立扩展表面裂纹缺口长度2c与扩展表面裂纹缺口深度a的数据分布图及拟合曲线；

⑧计算出初始裂纹面积A_缺口=1/2πa₀c₀，根据上述计算出损伤变量D，并建立疲劳损伤量D与施力点位移特征量峰值D_p的数据分布图及拟合方程；

⑨根据上述⑧所建立的函数关系，只要定期测量施力点的位移特征量，就可以获得相应的损伤变量D，再根据光滑板状试样的疲劳损伤量临界值，就可以对金属材料或金属构件进行安全可靠性评估。

由于采用如上所述技术方案，本发明产生如下积极效果：

本发明根据损伤等效性原理，基于金属材料发生疲劳损伤时其施力点位移特征量必然发生变化的事实，并结合材料疲劳损伤变量的数学定义，通过试验建立光滑板状试样疲劳损伤量和施力点位移特征量之间的函数关系，从而就可以时时监测光滑板状试样的疲劳损伤量，再和光滑板状试样的疲劳损伤量临界值进行对比，就能够对金属材料或金属构件的安全可靠性服役进行评估。

附图说明

图1是光滑板状试样横断面产生半椭圆状表面裂纹的扩展示意简图；

图2是光滑板状试样的结构示意简图；

图3是五件光滑板状试样的扩展表面裂纹缺口长度2c与施力点位移特征量谷值D_v的数据分布图；

图4是五件光滑板状试样的扩展表面裂纹缺口长度2c与施力点位移特征量峰值D_p的数据分布关系图及拟合方程；

图5是五件光滑板状试样的扩展表面裂纹缺口长度2c与扩展表面裂纹缺口深度a的数据分布图及拟合曲线；

图6是疲劳损伤量D与施力点位移特征量峰值D_p的数据分布图及拟合方程；

上述图中：2c₀-初始表面裂纹缺口长度；a₀-初始表面裂纹深度；2c-扩展表面裂纹缺口长度；a-扩展表面裂纹缺口深度；1-约束面；2-缺口；3-悬臂区；4-循环载荷P的施力点。

具体实施方式

结合图2，光滑板状试样采用规格为26mm厚的调质态10CrNiMo结构钢，并加工五件相同的光滑板状试样，五件光滑板状试样的编号依次为DFSC-01～05，每件光滑板状试样的缺口宽度为63mm、厚度为12.5mm，每件光滑板状试样缺口处的上下圆弧半径均为55mm，光滑板状试样的总长度为420mm。

施力点的循环载荷P=4.0kN，频率f=1.0hz，试验波形为正弦波。安装好光滑板状试样后，启动试验机依次对五件光滑板状试样开始试验，当五件光滑板状试样的初始表面裂纹缺口长度2c₀分别达到约10mm、20mm、30mm、40mm和50mm时取下各光滑板状试样并测量出初始表面裂纹深度a₀，注意：初始表面裂纹缺口长度2c₀大于50mm后该光滑板状试样即将失稳，即疲劳损伤将达到临界值。之后各光滑板状试样放在温度为300～400℃的热处理炉中进行约半个小时的发蓝处理，待各光滑板状试样冷却后继续进行上述试验，当各光滑板状试样即将失稳时转为位移控制模式，采用二次疲劳的方式打断各光滑板状试样，在显微镜下测量由于发蓝而形成的扩展表面裂纹缺口长度2c和扩展表面裂纹缺口深度a，具体数据见图5。

从图5可见，表面裂纹长度2c与深度a满足良好的自然对数关系。其中a=3.3105Ln(2c)-4.6111，相关性R²=0.9968。

在上述试验过程中，在显微镜下测量由于发蓝而形成的扩展表面裂纹缺口长度2c和扩展表面裂纹缺口深度a，同时采集记录施力点位移的特征量峰值D_p和谷值D_v。

从图3可见，表面裂纹长度2c与施力点位移特征量谷值D_v的数据分布零乱，相关性不明显，无法采用。

从图4可见，表面裂纹长度2c与施力点位移特征量峰值D_P的数据分布满足一元五次多项式关系，相关性明显，可以采用，其中2c=0.2148D_p ⁵-2.6854D_p ⁴+13.208D_p ³-33.951D_p ²+51.998D_p+8.6183，相关性R²=0.9857。

从图6可见，疲劳损伤量D与施力点位移特征量峰值D_p数据分布满足良好的一元四次多项式关系，相关性明显，其中

D(△A/A)=-0.002D_p ⁴+0.0262D_p ³-0.1372D_p ²+0.3598D_p+0.0226，相关性R²=0.9918

准确测量表面裂纹的长度和深度是获得表面裂纹扩展而产生△A的关键。表面裂纹长度的测量方法通常有目测法、电位法、复型法等多种，最常用的是通过光学显微镜测量的目测法，这种方法直接、准确可靠。

裂纹沿深度方向的扩展长度测量有电位法、声发射法、激光散射法等多种间接方法，但这些方法都比较复杂，且测量精度都没有直接测量方法简单可靠。一般而言，可以通过在裂纹扩展的前缘留下印记，即所谓“载荷变化留痕法”来显现表面裂纹长度及深度的数据。但这种方法的难点在于载荷的变化梯度不易很好选择，而且可能会花费较长的时间，另外并非所有金属材料留痕都会很清晰。因此，可以采用比较可靠的“发蓝法”，即光滑板状试样表面裂纹扩展到不同长度时，停下来对光滑板状试样进行适当的发蓝处理，使表面裂纹沿长度方向和深度方向扩展的痕迹变为不同于金属本色的深蓝色，这样就能在显微镜下直接观察测量。

根据上式就可以通过测量施力点位移征量峰值D_p，来预测悬臂弯曲加载金属材料的疲劳损伤大小，从而为同类如10CrNiMo结构钢或由10CrNiMo制作的构件进行安全可靠性评估提供依据，其它钢号可根据本发明的试验测量方法来作出图6，从而为其它钢号或由其它钢号制作的构件进行安全可靠性评估提供依据。

Claims (1)

1.一种悬臂弯曲加载金属材料疲劳损伤的试验测量方法，采用光滑板状试样并由10CrNiMo结构钢制作而成，光滑板状试样总长度为420mm，约束面尺寸长×宽×厚=120mm×63mm×20mm，在光滑板状试样设置上下对称的半圆弧缺口，缺口半径R为55mm，缺口处的宽度W为63mm而其厚度t为12.7mm，悬臂长为245mm，循环载荷P的施力点距非约束端的距离L为35mm，通过光滑板状试样处于悬臂弯曲加载方式下的S-N疲劳曲线发现，疲劳裂纹萌生于光滑板状试样的缺口处附近且垂直于光滑板状试样的长度方向，疲劳裂纹产生数条，在循环载荷P作用下，数条疲劳裂纹不断沿缺口处的宽度和厚度方向进行扩展，扩展到一定程度后相互合并，最终导致光滑板状试样在缺口处产生疲劳断裂；如前所述，疲劳损伤的过程实际上是一个损伤累积过程，随着疲劳裂纹的不断扩展，疲劳损伤也不断累积，当累积达到损伤临界值时就会导致光滑板状试样疲劳失效；由于疲劳断裂之前，光滑板状试样往往没有明显的宏观塑性变形，因此这种断裂形式危险性极高；能否在光滑板状试样断裂之前就采用一定的技术手段，测试出其疲劳损伤量，然后和损伤临界值比较以判断光滑板状试样的剩余疲劳寿命？

试验结果表明：在恒定的循环载荷作用下，随着光滑板状试样疲劳损伤的累积增加，光滑板状试样在施力点的位移特征量如峰值、谷值及由此计算出的幅值和均值也会发生相应变化，如果能够建立试样疲劳损伤大小和施力点的位移特征量关系，那么就可以在任一时刻通过测量施力点的位移特征量变化而获得该时刻光滑板状试样的疲劳损伤大小；然而要想建立光滑板状试样疲劳损伤大小和施力点的位移特征量关系，需要通过数据处理回归的方式获得上述二者间的关系，施力点的位移峰值和谷值变化可以通过计算机数据采集得到，幅值和均值可以通过峰值和谷值计算得到，关键是如何测量试样疲劳损伤的大小；

根据损伤力学理论，可以用一个损伤变量D来描述光滑板状试样的疲劳损伤情况，并用下式来定义损伤变量的大小：

$D=1-\frac{A\text{'}}{A}=\frac{\mathrm{\ΔA}}{A}$

上式中，A为缺口处的初始面积，A′为试样实际承载面积，△A为材料损伤后不能承载的试样面积；

根据上式可见：缺口处的初始面积A可以通过A=Wt得到，只要能测量出任一时刻缺口处因受疲劳损伤而减少的面积△A，就能够计算出相应时刻光滑板状试样的损伤变量D，然而如上所述，疲劳裂纹的萌生具有多源性，很难直接测量出缺口处上下表面由于数条裂纹而减少的面积△A；

根据损伤的等效性原理，即由数条疲劳裂纹萌生而使光滑板状试样有效承载面积减少所造成的疲劳损伤对应于相应位移特征量的变化，总可以等效为一条表面裂纹由于扩展而减少光滑板状试样有效承载面积所造成的疲劳损伤，而一条表面裂纹由于扩展而减少的光滑板状试样承载面积是可以测量出的，从光滑板状试样横断面产生半椭圆状表面裂纹的扩展示意简图来看，其椭圆面积涉及到初始表面裂纹缺口长度2c₀和初始表面裂纹深度a₀这两个参数，只要能够测量出扩展表面裂纹缺口长度2c和扩展表面裂纹缺口深度a，就能够计算出光滑板状试样减少的承载面积；为便于观察，在光滑板状试样的上缺口处加工出一个近半椭圆形的初始裂纹，初始裂纹的面积A_缺口=1/2πa₀c₀，在恒载荷循环作用下，初始裂纹不断沿其长度和深度方向进行扩展，不断的等间隔测量初始裂纹处的面积变化量，即△A=A_当前-A_缺口=1/2πac-1/2πa₀c₀=1/2π(ac-a₀c₀)，并与施力点的位移特征量建立数学关系，从而就可以实现间接测量光滑板状试样的疲劳损伤量；其特征是：

①加工3-5件光滑板状试样，并对光滑板状试样逐一进行编号，在光滑板状试样缺口处的上表面采用铣切的方式加工一个引发表面裂纹扩展的初始裂纹，初始裂纹的2c₀=2.0mm，初始裂纹的a₀=1.0mm，光滑板状试样在悬臂弯曲加载方式下进行疲劳试验；

②采用精度不低于0.02mm的量具测量光滑板状试样缺口处的宽度W、厚度t以及所述L；

③将光滑板状试样的约束面夹持在试验机上，循环载荷P=4.0kN,试验频率f=1.0Hz，试验波形为正弦波；

④启动所述试验机开始试验，在试验过程中采用精度为0.01mm的工具显微镜，定期测量和记录初始裂纹的扩展长度，同时采集施力点的位移特征量峰值和谷值；

⑤分析处理初始裂纹的扩展长度并将采集到施力点的位移特征量峰值和谷值来计算出幅值和均值，寻求相关性较好的一组建立扩展表面裂纹缺口长度2c与施力点位移特征量峰值D_p的数据分布关系图及拟合方程；

⑥试验过程中，每一件光滑板状试样当初始裂纹扩展到不同长度后，取下光滑板状试样进行发蓝处理约半小时，发蓝温度控制在300～400℃，当光滑板状试样冷却后重新安装到所述试验机上继续进行上述试验；

⑦当光滑板状试样即将失稳时将所述试验机的控制模式由载荷转换为位移，并采用二次疲劳的方式打断光滑板状试样，用工具显微镜测量扩展表面裂纹缺口长度和扩展表面裂纹缺口深度，建立扩展表面裂纹缺口长度2c与扩展表面裂纹缺口深度a的数据分布图及拟合曲线；

⑧计算出初始裂纹面积A_缺口=1/2πa₀c₀，根据上述

计算出损伤变量D，并建立疲劳损伤量D与施力点位移特征量峰值D_p的数据分布图及拟合方程；

⑨根据上述⑧所建立的函数关系，只要定期测量施力点的位移特征量，就可以获得相应的损伤变量D，再根据光滑板状试样的疲劳损伤量临界值，就可以对金属材料或金属构件进行安全可靠性评估。

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