CN104704342A - 用于确定疲劳裂纹的非传播阈值的高频方法 - Google Patents

用于确定疲劳裂纹的非传播阈值的高频方法 Download PDF

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Abstract

一种用于确定疲劳裂纹的非传播阈值的高频方法，其中循环加载(32、32A)施加到至少一个测试块，所述至少一个测试件在测试区(10A)中具有椭圆孔(12)，所述椭圆孔在一个顶点具有槽口(14)以及被保持在两个刚性块(24、26)之间，两个刚性预应力板(20、22)设置在所述测试件的两侧上以及在其两端(20A、22A；20B、22B)的每个都紧固到这两个刚性块，该循环加载(32、32A)的频率被选定等于测试件/块/预压力板组件的固有频率，以从该槽口产生疲劳裂纹；然后，当观察到该裂纹已经停止传播，记录该裂纹的最后长度，并且使用图表来确定疲劳裂纹的所述非传播阈值ΔKth，该循环加载通过电动振动筒获得，该电动振动筒通过两个刚性柱整体地附接到一个框架，该框架支撑这两个刚性块并包括传输所述循环加载到该测试件/块/预压力板组件的推杆。

Description

用于确定疲劳裂纹的非传播阈值的高频方法
背景技术
本发明涉及一种能使疲劳裂纹的非传播阈值在高频下确定用于涡轮发动机叶片的方法。
通常，涡轮喷气发动机的叶片组(压气机叶片和涡轮机叶片)在宽范围的频率上承受应力。然而，临界频率主要是那些与叶片弯曲的第一模式相关，其通常位于500赫兹(Hz)以上。为了能够测量处于疲劳中叶片的尺寸，可以或者确定叶片上可接受冲击的尺寸，否则更常见地，特别地求助于疲劳裂纹传播的模型，其通常需要使用实验数据校准。该数据包括用于长裂纹非传播的阈值，该阈值被写作ΔKth并且表征应力强度因子(SIF)的阈值振幅ΔK，超过其裂纹在疲劳中传播。
然而，对于给定材料，几乎仅以准静态方式确定该非传播阈值，这并不代表叶片在其寿命中所受到的频率水平。此外，某些材料，如Ti-6Al-4V甚至TiAl可能对环境影响敏感，这也可以导致该阈值依赖于频率。
目前，通过以下方法确定了非传播阈值，其中使用液压牵引机将降低的负载施加到测试件。所施加的力然后被伺服控制到应力强度因子，这意味着需要知道在测试过程中裂纹的尺寸是如何变化的。为了能够做到这一点，存在能够确定在测试过程中裂纹尺寸的各种仪器装置。第一种这种装置依赖于测量基于流过测试件的电流的电位差。随着该裂纹传播，因为在传播平面内的可用部分的减少，由于该电位差测量所获得的电阻增加了。第二装置依赖于“符合”方法，其中应变仪放置在与预先裂纹的原始位置相对的测试件的表面上，以及当对于给定施加力裂纹传播时，可以观察到测量变形的增加。由在牵引中测试件刚度的降低导致了这种作用。对于给出了刚度和裂纹进展之间关系的主曲线，可以确定裂纹的尺寸。第三装置依赖于“梳子”法，其中布置有大量应变仪以沿裂纹路径形成“梳子”。当裂纹达到应变计时，应变仪破坏。了解了已经破坏的应变仪数量后，可以确定裂纹的尺寸。最后，其它装置仍依赖在图像或光学测量之间的关系，从该关系在远心系统的帮助下估计了裂纹的顶端位置。
所有这些传统方法依赖于使用一种用于在测试过程中确定裂纹尺寸的装置，因此能够实时调节被施加到裂纹边缘应力强度因子(SIF)(SIF＝b*S*√(Л*a)，其中b是裂纹的形式因子，S是被施加的应力，以及a是裂纹的特征尺寸)。一旦(在测试期间所测量的)裂纹的进展速度变得小于给定值，例如每循环10-10米(m/循环)，如在ASTM E647标准中提出的，因此SIF的减少被施加并且该阈值被认为已经达到。
除了该阈值在准静态条件(1Hz到30Hz)下总被表征的事实以外，因此假设所获得的非传播值作为频率的函数是恒定的，这是不正确的，这些传统方法的主要缺点是，它们需要在原位置确定裂纹尺寸。测量电势的装置能够仅施加到导电材料，并且它们需要快速以能够实施调整的数据采集和处理系统。在如部件在操作中所受到的以及期望表征制成它们的材料所对于的高频下(>500Hz)，通常这是不可能的。符合方法可以施加到任何均质材料，但这同样需要快速数据采集和处理系统以实施调整，这同样与需要实施测量的频率不兼容。梳子法并不一定导致有效的伺服控制。仅能以离散方式确定裂纹的长度，即在应变仪放置的位置。然后可以发生过载效应出现在裂纹的顶端。最后，仅当裂纹的传播速度足够缓慢时，可以使用光学测量。在两个测量之间，裂纹长度的变化必须小以避免使裂纹顶端过载效应。
发明目的和内容
通过提出一种在高频(>500Hz)下在具有特定形状的结构测试件中确定疲劳裂纹的非传播阈值的方法，该特定形状使这种确定成为可能，本发明因此具有减轻上述缺点的目的。
为此，本发明提供了一种在高频下确定疲劳裂纹的非传播阈值的方法，其中，循环加载被施加在至少一个测试件上，所述至少一个测试件在测试区中具有椭圆孔，所述椭圆孔在一端具有槽口以及所述测试件用两个刚性预应力板保持在两个刚性块之间，所述两个刚性预应力板布置在所述至少一个测试件的两侧上以及每个都在其两端紧固到所述刚性块，所述循环加载处于被选定为等于包括所述测试件、所述块和所述应力板的组件的共振频率的频率下，以从所述槽口产生疲劳裂纹，然后一旦观察到所述裂纹已经停止传播，测量所述裂纹的最后长度以及使用图表来确定所述阈值ΔKth用于裂纹通过疲劳的非传播，所述循环加载通过电动振动筒获得，所述电动振动筒在刚性直立部的帮助下被安全地紧固到一个结构，所述结构支撑所述两个刚性块并包括用于传输所述循环加载到包括所述测试件、所述块和所述压力板的所述组件的推力杆。
通过该方法，不再有在测试发生时测量裂纹长度的任何需要，也不再有在这种测量的基础上实施伺服控制的任何需要。
优选地，通过计数预定数量的加载循环(通常位于800万到1200万循环的范围内)观察到所述裂纹的停止。
本发明还提供了一种能使疲劳裂纹的非传播阈值在高频下被确定的测试装置，所述装置包括：
·至少一个测试件，所述至少一个测试件在测试区具有椭圆孔，所述孔在一端具有槽口；
·两个刚性块，所述至少一个测试件被保持在所述两个刚性块之间；
·两个刚性预应力板，所述两个刚性预应力板布置在所述至少一个测试件的两侧，并且每个都在其两端紧固到所述两个刚性块；以及
·电动振动筒，所述电动振动筒通过刚性直立部安全地紧固到一个结构，所述结构支撑所述两个刚性块并包括用于经由所述两个刚性块传输循环加载到所述至少一个测试件的推力杆，所述循环加载具有被选定等于该装置的共振频率的频率，以从所述槽口产生疲劳裂纹，一旦已经观察到所述裂纹的传播已经停止，所述疲劳裂纹的长度确定用于疲劳裂纹的所述非传播阈值ΔKth。
因此，通过在电动振动筒的帮助下，在其共振频率下的动态牵引下激励该装置，可以实现足够高以产生疲劳裂纹的加载水平，并且该裂纹传播的停止能使非传播阈值被确定。
优选地，所述装置进一步包括一个或多个用于通过修改所述共振频率改变所述加载频率的附加块。
有利地，所述槽口在所述椭圆孔的长轴一端以及在所述加载方向制成。
优选地，所述直立部是刚性支架。
有利地，所述测试件最初通过在所述两个预应力板上牵引进入压缩，所述牵引通过逐步地减少在所述两个预应力板块的所述端部之一和所述两个刚性块的面对的一个之间最初存在的间隙所获得。
根据本发明，所述装置的共振频率的范围在300Hz到2000Hz。
附图说明
从参考附图作出的以下描述，本发明的其它特征和优点显而易见，该描述没有限制性地示出一种实施方式，其中：
·图1A和1B示出了根据本发明在测试装置中使用的测试件，其能使疲劳裂纹的非传播阈值被确定；
·图2示出图1A和1B的测试件的ΔK的衰变速率；
·图3示出了根据本发明用于确定疲劳裂纹的非传播阈值的测试装置；以及
·图4示出了图3装置的一部分的两测试件变型。
具体实施方式
本发明提出了施加恒定平均和广阔的外部循环加载到结构测试件上，该测试件包括在孔的边缘已预先开槽的椭圆孔。该椭圆孔的存在产生了应力梯度，并且与其长半轴尺寸相关的其椭圆率比然后可以确保在裂纹顶端的应力强度因子呈现了用于确定疲劳裂纹的非传播阈值的所需衰变速率。裂纹然后在该衰变负载下自身停止，并且在其已经停止后，它可以测量裂纹的最终长度，以能够确定ΔKth的值。在测试终止后测量裂纹的长度，该测试的计数仅需要使用图表。
图1A和1B示出了在本发明的测试装置中使用所需的测试件形状。测试件10优选为长方形，并在其中央测试部分10A具有椭圆孔12，该孔在测试件中产生应力梯度。在该孔的一端，特别地在其长轴端部，以及在应力(加载)方向中，测试件具有槽口14，例如由电腐蚀制成(一种带有平直前面的电火花加工(EDM)槽口)，从而很容易地开始疲劳裂纹。如图所示，该测试件优选地在测试区10A具有减小的厚度。
当测试件受到压缩加载时，牵引应力由于弹性泊松效应而出现在该孔的边缘。对于在压缩(或牵引压缩)中的循环加载，裂纹在每个循环上打开和关闭，因此通过疲劳传播。在没有裂纹时，在孔边缘的应力是正向的，其在应力集中区域逐步地减少，并且它在从孔离开时趋近于零。因此，如果裂纹远离孔的边缘传播，其应力强度因子(SIF)随着裂纹不断增加的传播长度而减小。当应力强度因子的幅值在传播阶段中达到非传播阈值ΔKth时，疲劳裂纹停止。
椭圆孔的形状用裂纹的进展确定了应力强度因子的衰变速率。因此很重要的是确定椭圆孔的尺寸(长轴以及短轴与长轴的比率)，以获得对于作为裂纹长度函数的ΔK的期望的曲线。ΔK的衰变速率随着短轴与长轴的比率的增加、以及随着短轴的尺寸减少而降低。一旦裂纹已经停止传播，最佳衰变速率用于避免在裂纹顶端的过载效应以及在测量裂纹长度(因此在计算ΔKth)时减少不确定性。
图2示出了根据上述规定的标准，使用以下公式表示的该衰变速率：
ΔK(x)/ΔKo＝exp(-0.08x)
其中，x是裂纹顶端和椭圆孔边缘之间的距离(毫米(mm))以及ΔKo是ΔK接近椭圆孔达到的最大振幅。
当确定测试件尺寸时，应该注意确保由椭圆孔12和槽口14产生的随着裂纹进展的ΔK变化可以覆盖预期的阈值。是该测试件的形状确定了应力强度因子如何随着裂纹进展而改变。例如，对于具有70×30×3(以毫米为单位的长度、宽度和厚度)尺寸的测试区10A的长方形测试件，具有24毫米长轴和12毫米短轴的椭圆被定位有离测试区的底部边界25毫米远的其中心。槽口在从椭圆长轴的顶部上1.5毫米，以及沿主轴制成。
用于在高频下确定疲劳裂纹的非传播阈值的测试装置如图3所示。测试件10通过两个刚性预应力板20和22(如由复合材料制成)受到静态预加载，所述两个刚性预应力板布置在测试件的两侧上并在它们的端部20A、22A之一紧固到两个刚性块24、26之一，在这两个刚性块之间接合有测试件，这两个板的其它端部20B、22B带有初始间隙地紧固到这两个块22的另一个。该初始间隙可引入有顶部刚性块24或引入有底部刚性块26，但有利地经由通过一对紧固件螺钉28、30与顶部刚性块的附接实现该初始间隙的逐步减少，通过在牵引中作用在两个预应力板上，这可以施加压缩到测试件。块24、26用于增加刚度和修改包括测试件和预应力板的组件的共振频率。
以这种方式获得的该装置通过电动振动筒32受到振动，该电动振动筒刚性地固定到该装置的结构，如支撑板34，以及其将由振动筒传递的力传输到包括刚性预应力板和经由一个或多个额外块40A-40C围绕该测试件的块的装置。为了在被施加到测试件的每个牵引循环上获得最大变形量，加载频率被采取等于在该装置的牵引中的共振频率。由于该频率等于该系统刚度的平方根(包括测试件+预应力板)除以移动块，添加或移除额外块40A-40C用于改变该共振频率，从而实施用于在不同频率下，在优选地位于300Hz到2000Hz范围内的高频率下，测量裂纹非传播阈值ΔKth的测试。由于模态放大很大，即使对于相对较小的施加力，测试件的变形可能很大，施加在裂纹顶端的应力强度因子也可以很大。
仅通过计数循环的数量观察到停止的裂纹传播，所述数量优选地位于800万到1200万循环的范围内。该值从阈值ΔKth的估计数量级以及从传播速度中选定。循环应力因此本身可以停止并且该测试件可以从该装置中移除以及测量裂纹的最终长度，然后在图表的帮助下确定用于疲劳裂纹的所述非传播阈值ΔKth。
当然，使用诸如螺钉类型42的紧固件设备将该装置刚性地紧固到支撑板34是适当的。由此的任何分离，即使仅是局部的，可以导致由电动振动筒22传递到该装置、以及从而也到测试件10的机械能传输的损失。
因此，通过使用上述测试件，获得了以下结果：对于与80.7兆帕(MPa)的测试件上的应力幅度对应的0.7的加载比，以及对于803Hz的应力频率，裂纹在停止以前行进8.6毫米。使用该图表，ΔKth被确定为等于2.7兆帕-方根米(MPa.√m)。
应该注意到的是，尽管以上描述参考了牵引装置，但很明显的是，也可以想象弯曲类型加载。特别地，如图4所示，如果该装置包括两个测试件52、54而不是仅一个，以及如果在这两个测试件之间的间隔足够大，那么即使由包括两个块56和58以及两个预应力板60、62的装置所施加的加载是弯曲类型，被施加到一个或另一个测试件的应力场可以被视为实际上处于牵引中。

Claims (9)

1.一种确定疲劳裂纹的非传播阈值的方法，其中，循环加载被施加在至少一个测试件(10；52、54)上，所述至少一个测试件在测试区(10A)中具有椭圆孔(12)，所述椭圆孔在一端具有槽口(14)以及所述测试件用两个刚性预应力板(20、22；60、62)保持在两个刚性块(24、26；56、58)之间，所述两个刚性预应力板布置在所述至少一个测试件的两侧上以及每个都在其两端(20A、22A；20B、22B)紧固到所述刚性块，所述循环加载处于被选定为等于包括所述测试件、所述块和所述应力板的组件的共振频率的频率下，以从所述槽口产生疲劳裂纹，然后一旦观察到所述裂纹已经停止传播，测量所述裂纹的最后长度以及使用图表来确定疲劳裂纹的所述非传播阈值ΔKth，所述循环加载通过电动振动筒(32)获得，所述电动振动筒在刚性直立部(36、38)的帮助下被安全地紧固到一个结构(34)，所述结构支撑所述两个刚性块并包括一个用于传输所述循环加载到包括所述测试件、所述块和所述应力板的所述组件的推力杆(32A)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过计数预定数量的加载循环观察到所述裂纹的停止。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述预定数量位于800万到1200万加载循环的范围内。
4.根据权利要求1到3任一所述的方法，其特征在于，所述共振频率位于300Hz到2000Hz的范围内。
5.一种能使疲劳裂纹的非传播阈值在高频下被确定的测试装置，所述装置包括：
·至少一个测试件(10；42、44)，所述至少一个测试件在测试区(10A)具有椭圆孔(12)，所述孔在一端具有槽口(14)；
·两个刚性块(20、22；46、48)，所述至少一个测试件被保持在所述两个刚性块之间；
·两个刚性预应力板(24、26；50，52)，布置在所述至少一个测试件的两侧上，并且每个都在其两端(24A、26A；24B，26B)紧固到所述两个刚性块；以及
·电动振动筒(32)，所述电动振动筒通过刚性直立部(36、38)安全地紧固到一个结构(34)，所述结构支撑所述两个刚性块并包括用于经由所述两个刚性块传输循环加载到所述至少一个测试件的推力杆(32)，所述循环加载具有被选定等于该装置的共振频率的频率，以从所述槽口产生疲劳裂纹，一旦已经观察到所述裂纹的传播已经停止，所述疲劳裂纹的长度确定所述阈值ΔKth，用于在疲劳下所述裂纹的非传播。
6.根据权利要求5所述的测试装置，其特征在于，它进一步包括一个或多个用于通过修改所述共振频率改变所述加载频率的附加块(40A-40C)。
7.根据权利要求5或权利要求6所述的测试装置，其特征在于，所述槽口在所述椭圆孔的长轴一端以及在所述加载方向制成。
8.根据权利要求1到7任一所述的测试装置，其特征在于，所述测试件最初通过在所述两个预应力板上牵引呈现压缩，所述牵引通过逐步地减少在所述两个预应力板块的所述端部之一和所述两个刚性块的面对的一个之间最初存在的间隙所获得。
9.根据权利要求1到8任一所述的测试装置，其特征在于，所述直立部是刚性支架。
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