CN1041823A - 脆性材料预制疲劳裂纹方法和装置 - Google Patents

Abstract

脆性材料预制疲劳裂纹的新方法及其加载装置避免了一般预制疲劳裂纹时极易产生失稳断裂、裂纹不清晰、不能精确测量裂纹长度等缺陷，本方法能快速准确地在脆性材料弯曲试样上预制出所需长度的疲劳裂纹，在三点弯曲加载的基础上结合由测力环、顶杆等组成的加载装置，对试样两端施加侧向力，产生弯矩以控制裂纹增长，并产生非常清晰的疲劳裂纹前缘线，便于精测裂纹长度。本方法测试精度高、成本低，为脆性材料测定K_IC值前的预制疲劳裂纹开辟了新途径。

Description

本发明涉及材料试验测试技术，特别是测量脆性材料参数时预制疲劳裂纹的新方法。

在普通脆性材料试样上预制疲劳裂纹时，裂纹一旦发生，就极易产生失稳断裂，不能控制裂纹的长度。平面应变条件下的裂纹扩展阻力即断裂韧度K_1C值是工程材料的重要性能指标，采用常规方法即使勉强制出疲劳裂纹，裂纹前缘线也很不清晰或根本看不见，裂纹长度a测量很困难。为此对脆性材料避免预制疲劳裂纹，改为用线切割或磨削切口的试样直接测定P-V曲线的办法来确定K_1C值，由于切口不尖锐，K_1C值误差较大。近年来国内外进行预制裂纹试验的研究，如国内北京研究单位采用静载压缩法制备了硬质合金试样的裂纹，须用着色法对裂纹留印，不易得到满意的效果;较通用的威氏硬度压痕法由于裂纹尖端有残余应力，因此测得的K_1C值不够准确，1989年英国伦敦学者在美国陶瓷学会杂志上及澳大利亚1989年材料科学通讯杂志上，采用异形试样进行疲劳裂纹预制，其试样加工困难。采用切割缺口的试样直接测定脆性材料的K_1C值所得的数据也不准确，测试精度不高。

本发明的目的在于避免上述现有技术的不足之处而提供一种脆性材料预制疲劳裂纹的新方法及其加载装置。该装置在试样两侧施加侧压力，产生弯矩控制裂纹增长，使裂纹尖端应力强度因子K₁随裂纹长度的增大而下降，可以避免裂纹的失稳扩展，预制出预定长度的疲劳裂纹，产生清晰的疲劳裂纹前缘线，便于精确测量。

本发明采用三点弯曲试样预制疲劳裂纹。为了使试样上的裂纹尽快萌生而又不出现失稳断裂，就需要在疲劳的初始阶段在试样缺口尖端造成较大应力强度因子Kmax，而当裂纹萌生后随着裂纹不断长大，则应设法使Kmax逐渐降下来，这样可使裂纹在接近理想长度时，出现一个低应力强度的稳定扩展阶段，并最终能自动停止扩展。根据材料力学基本原理，只要对一个受三点弯曲载荷P₁的试样，再施加一个适当的侧向力P₂形成复合力系，如此构成纵横双轴线加载即可改变仅仅由三点弯曲载荷P₁作用时的应力强度因子K和裂纹长度a的关系，从而实现裂纹尖端应力强度因子随裂纹的不断长大而自动降低的效果。

本发明的目的可以通过如下措施来达到。疲劳试验试样中心载荷P₁使其产生裂纹，试样两侧通过加载装置施加侧向力P₂，产生弯矩来抑制脆性材料疲劳裂纹的失稳扩展。所施加的三点弯曲载荷P₁max和侧向力P₂经计算求得，通过给定的经验公式按试验材料的K_1C估计值和预定的疲劳裂纹长度a_l来确定。

此法推荐使用的试样尺寸为B×W×S＝5mm×10mm×40mm，试样总长为50mm。图2表明P₂力加载轴线距试样底面为 (W)/4 即2.5mm的位置，切口深度a₀为2.5毫米，按此规定试样，其选取加载参数的经验公式为：P₁max＝αK_1C（估计）

P₂＝βP₁max

其中加载系数α、β分别为：α＝496-32a_l

β= (19.8-al)/12

如采用其它尺寸的弯曲试样加载参数，经验公式当相应改变。

在已知材料断裂韧度K_1C估计值和确定了疲劳裂纹的预定长度a_l的条件下，利用上述公式即可最后求出加载参数P₁max和P₂。根据公式计算出的力值，利用加载装置在试样上施加侧向力P₂。

按上述双轴线加载方式进行疲劳试验，在脆性材料的断口上产生清晰的疲劳裂纹前缘线，可精密测量裂纹长度a。

本方法的实施步骤如下：

a.以规定尺寸的标准试样端部装入定位套长方形窗口内。

b.顺时针方向旋转调节螺钉，推动顶杆，通过测力环的变形标定值，向试样准确地施加侧压力达到P₂为止（P₂值通过公式计算求出）。

c.将试样连同加载装置一同放到装有三点弯曲夹具的疲劳试验机上施加疲劳载荷P₁。

使用上述方法，在工具钢和硬质合金试样上得到了非常清楚的疲劳裂纹前缘线，这是因为在这种双轴线加载方式下，虽然Kmax随裂纹的长大而降低，但其应力强度因子的幅度△K始终保持较大值。在裂纹扩展速率大幅度降低直至裂纹停止扩展后，仍继续进行足够周次的疲劳实验，疲劳裂纹前缘线得到充分的摩擦，从而可以在大多数脆性材料的断口上产生清晰的疲劳裂纹前缘线，以便于精确测量裂纹长度a。

脆性材料预制疲劳裂纹的加载装置，其测力环用7CrSiMnMoV合金钢（模具钢）来制造。由于不同材料的K_1C值差别很大，因此针对不同试样材料应选用不同测力范围的测力环。对于给定的标准试样B×W×S＝5×10×40mm，测力环最大的工作负荷为13KN（仟牛顿）。

附图的图面说明如下：

图1    本发明的加载装置局部剖面图。

图2    双轴加载受力位置示意图。

本发明下面将结合附图1实施例作进一步详述。

脆性材料预制疲劳裂纹的加载装置由测力环、定位套、顶丝座、顶杆、销钉和加力调节螺钉所组成，见图1。定位套（3）上开有长方形窗口以固定试样（2），测力环（1）左右两端装有顶杆（5），可左右调节定位，其大头端部装在定位套上与试样相接触，测力环两端装有顶丝座（6），用销钉（4）固定在测力环上，顶丝座中心位置装有调节螺钉（7），与顶杆在同一中心线位置接触。测力环的变形量事先经过测力计标定，可按计算出的P₂值准确的定量施加侧压力。测力环的变形量可用精密量具测出或用光学位移长度测量法及其它方法测出。

本发明方法具有试样形状简单，能选择并自动限制疲劳裂纹扩展的终止长度，预制出预定长度的疲劳裂纹。除粗晶体材料外，在多种高硬度、高脆性材料上，产生了非常清晰的疲劳裂纹前缘线，便于精测裂纹长度。采用这一方法，可大幅度提高脆性材料预制疲劳裂纹的成功率，降低试样加工成本和提高测试精度，它为陶瓷、岩石、硬质合金和金属间化合物等脆性材料的断裂韧度研究提供了方便，其加载装置经济实用可靠。这一方法为脆性材料测定K_1C值前预制疲劳裂纹开辟了新的途径。

Claims (4)

1、材料试验测试技术中，脆性材料预制疲劳裂纹的方法是对受三点弯曲载荷的试样形成复合力系，其特征是：在实施过程中采用纵横向双轴线加载方式，对受三点弯曲载荷的试样，该试样中心受疲劳载荷P₁，使其产生裂纹，试样两侧通过加载装置施加侧向力P₂，产生反向弯矩来抑制脆性材料疲劳裂纹的失稳扩展，对于所施加的三点弯曲载荷P_1max和测向力P₂通过计算求得，

预制疲劳裂纹方法须按下述条件进行：

a.使用的规定试样B×W×S=5mm×10mm×40mm，试样总长为50mm，

P₂力加载轴线距试样底面为 (W)/4 ，即2.5mm的位置。

切口深度a_O=2.5mm

b.对本方法规定的试样，其加载参数经验公式为：

P_1max=αK_1c(估计) α=496-32al

P₂=βP_1maxβ= (19.8-al)/12

在已知材料的断裂韧度K_1C估计值和确定了疲劳裂纹预定长度al(mm)的条件下，利用上述公式，最后求出加载参数P_1max和P₂值。根据计算出的P₂值，利用加载装置在试样上施加侧向力；

按上述双轴线加载方式进行疲劳试验，能在脆性材料的断口上产生清晰的疲劳裂纹前缘线，可精确测量裂纹长度a。

2、根据权利要求1所述的预制疲劳裂纹的方法，其实施步骤如下：

a.以规定尺寸的标准试样，端部装入定位套（3）方形窗口内;

b.顺时针方向旋转调节螺钉（7），推动顶杆（5），通过测力环（1）的变形标定值，向试样准确地施加侧压力达到P₂为止（P₂值通过公式计算求出）;

c.将试样连同加载装置一同放到装有三点弯曲夹具的疲劳试验机上施加疲劳载荷P₁。

3、脆性材料预制疲劳裂纹的加载装置由测力环、定位套、顶丝座、顶杆、销钉、和加力调节螺钉所组成，定位套（3）上开有长方形窗口以固定试样（2），测力环（1）左右两端装有顶杆（5），可左右调节定位，其大头端部装在定位套上与试样相接触，测力环两端装有顶丝座（6）用销钉（4）固定在测力环上，顶丝座中心位置装有调节螺钉（7）与顶杆在同一中心线位置接触，测力环的变形量事先经过测力计的标定;

4、根据权利要求3所述的加载装置，其特征是：测力环材料可选用7CrSiMnMoV合金钢来制造，在选用给定试样条件下，其环的外径约为100mm，最大工作负荷为13KN。