1.一种腐蚀裂纹扩展性能表征与寿命估算的方法,该方法具体步骤如下:
步骤一、腐蚀裂纹扩展性能da/dN-ΔK曲线
按照中心裂纹拉伸M(T)试样的加载形式和国家标准GB-T6398《金属材料疲劳裂纹扩展速率试验方法》,在腐蚀环境下进行裂纹扩展试验;施加指定应力比R,观测并记录裂纹扩展过程中的左、右裂纹长度,并根据左、右裂纹长度计算平均裂纹扩展长度a,得到铝合金材料的恒载裂纹扩展a-N数据,采用割线法进行数据处理
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式中,ai和ai+1为临近两点的裂纹扩展长度,Ni和Ni+1为对应的扩展循环数;
按照国家标准GB-T6398的要求计算扩展过程中应力强度因子变程ΔK的值,对于M(T)试样,ΔK的表示方法为
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α=2a/W (5)
式中,P为交变载荷,α为尺寸系数,a为当前裂纹长度,W为试件宽度,B为试件厚度;由(1)至(5),对试验数据进行处理,绘制材料的腐蚀裂纹扩展性能da/dN-ΔK曲线;
步骤二、腐蚀裂纹扩展性能表征模型
表征材料裂纹扩展速率的Walker公式为
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式中C0、m0和n0为材料常数;在Walker公式基础上,考虑腐蚀环境对材料断裂门槛值的作用,提出了表征腐蚀裂纹扩展速率的修正Walker表达式
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式中,C2、m2和n2为材料常数;ΔKth,C为拟合得到的腐蚀断裂门槛值,体现了腐蚀环境对扩展速率的影响;
对式(7)取对数,得到
Y=a0+a1X1+a2X2 (8)
式中,Y=lg(da/dN),a0=lgC2,a1=n2,a2=m2,X1=lg(ΔK-ΔKth,C),X2=lg(1-R),可见Y与X1和X2成线性关系;根据二元线性回归理论,式(8)中三参数a0、a1、a2的拟合表达式以及相关系数平方r2为
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式(9)至式(12)是待定常数ΔKth,C的函数,因此,需先求出ΔKth,C,进而获得a0、a1和a2;采用线性相关因数优化方法,所求ΔKth,C必须使相关系数的平方r2取最大
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确定ΔKth,C的取值范围
ΔKth,C∈[0,ΔKmin) (17)
式中ΔKmin=min{ΔK1,ΔK2,…,ΔKl},其中ΔKi为试验中应力强度因子变程取值,i=1,2,…,l;
之后,将区间[0,ΔKmin)对半分为两个区间[0,ΔKmin/2)和[ΔKmin/2,ΔKmin),计算H(ΔKth,C);如果H(ΔKth,C)<0,则ΔKth,C必位于左边区间[0,ΔKmin/2)内;如果H(ΔKth,C)>0,则ΔKth,C必位于右边区间[ΔKmin/2,ΔKmin)内;无论何种情况出现,都可将原来区间减小一半,如此继续计算,即可按所需精度求得ΔKth,C;再由解得的ΔKth,C值,按式(9)至式(11)得到a0、a1和a2,最后获得
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从而,根据式(18)至式(20)并结合腐蚀裂纹扩展性能da/dN-ΔK曲线中的试验数据,按照修正Walker表达式(7)拟合腐蚀环境下材料的裂纹扩展性能da/dN-ΔK曲面,曲面拟合结果能够有效地表征材料的裂纹扩展性能,并且更直观地反映了腐蚀环境对扩展行为的影响;
步骤三、谱载裂纹扩展寿命估算
谱载试验采用实测载荷谱加载,实测载荷系数谱乘以应力水平即为试验加载的实测载荷谱;受载荷谱中载荷大小和顺序的影响,谱载裂纹扩展试验存在载荷间的交互作用,包括高载后残余压应力引起的高载迟滞效应,以及低载后残余拉应力引起的抵消迟滞效应;Willenborg-Chang模型是以裂尖塑性区理论为基础,考虑断裂门槛值的影响表征材料的谱载裂纹扩展速率
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式中:Ci、mi和ni为材料常数,i=0,2,ΔKeff和Reff分别为谱载裂纹扩展中的有效应力强度因子变程和有效应力比,ΔKth为材料断裂门槛值;
在此基础上,将式(7)代入谱载裂纹扩展速率表达式(21),整理并进行积分变换,得到基于修正Walker表达式的Willenborg-Chang模型任一应力循环的谱载裂纹扩展增量Δa
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采用累加求和法预测谱载下材料的腐蚀裂纹扩展寿命,再根据试验加载的实测载荷谱以及材料的裂纹扩展性能参数,计算每个载荷循环的裂纹扩展增量Δa和当前裂纹长度,如此循环往复,直至裂纹扩展结束,此时对应的加载循环数即为预测的腐蚀谱载裂纹扩展寿命。