CN105758723B - 一种线性梯度材料裂纹扩展速率测试方法 - Google Patents

一种线性梯度材料裂纹扩展速率测试方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种线性梯度材料裂纹扩展速率测试方法，通过疲劳试验机对紧凑拉伸试件施加交变载荷，在试验控制端重新编写参数之间函数关系，引入针对裂纹长度测量的梯度修正项和针对载荷计算的梯度修正项，准确控制试验进程并自动修正获取试验数据，得到梯度材料裂纹扩展速率；本发明的优点为：适用于线性梯度材料的裂纹扩展速率测试，期间无需人为干预，试验自动进行，有较高精度。

Description

一种线性梯度材料裂纹扩展速率测试方法
技术领域
本发明涉及一种疲劳裂纹扩展速率测试方法，具体来说是一种针对线性梯度材料试件裂纹扩展速率的自动测试方法，属于材料性能检测技术领域。
背景技术
周期载荷作用下的疲劳失效是工程结构的主要失效形式，而材料的疲劳扩展性能是进行结构损伤容限设计的重要参数，对材料进行裂纹扩展速率测试可以给定结构及其部件检修和使用寿命的周期，确保结构在服役过程中安全可靠。
线性梯度材料由于其性能过渡最为平滑、加工容易实现，且保持梯度材料卓越的功能结构一体化设计性，近年来在工程中广泛应用，明确其裂纹扩展速率及其分布规律是对梯度结构进行损伤容限设计和分析的前提。而现有的ASTM E647-2013《Standard TestMethod for Measurement of Fatigue Crack Growth Rates》和GB/T6398-2000《金属材料疲劳裂纹扩展速率实验方法》均只针对均匀材料进行规范，若直接用于梯度材料则存在如下问题：
(1)裂纹长度测量存在误差。实验过程中，测试载荷需要根据当前裂纹长度实时调整以确保取得到足够数量的样本点，故准确自动测量裂纹长度是裂纹扩展速率测试实验的前提，现有方法包括目测法、电位法和柔度法等。其中，目测法所得结果无法自动反馈至测试系统，需要人工干预，同时测量过程受人为影响因素较大；电位法对试件材质要求较高，应用并不广泛；柔度法是目前使用最为广泛且精度较高的裂纹长度测量方法，该方法将裂纹长度转化为测试系统可以直接获取得到的裂纹张开位移，从而可以自动进行实验测试，裂纹长度与张开位移的转换关系依赖于试件自身刚度，而梯度材料中材料刚度分布存在变化，标准中给出的针对均匀材料的转换公式不再适用。
(2)试验载荷控制存在误差。应力强度因子幅值用于表征外部载荷作用下裂纹尖端应力分布情况，是裂纹扩展的驱动力。然而受材料变化的刚度影响，裂纹尖端应力分布与均匀材料有别，直接使用标准中给出的针对均匀材料载荷与应力强度因子函数关系进行加载会带来较大误差。
发明内容
为解决上述问题，提供一种针对线性梯度材料试件疲劳裂纹扩展速率自动测试方法，该方法精度高、简单易行，不受测试环境限制。
本发明提出一种线性梯度材料裂纹扩展速率测试方法，通过下述步骤完成：
步骤1、参照实验标准中推荐尺寸加工紧凑拉伸试件；
步骤2、线性梯度试件中，含缺口一端的弹性模量记为E1，梯度方向另外一端对应弹性模量为E2，计算模量比β＝E2/E1；
步骤3、将试件装夹至疲劳实验机并安装引伸计，预置裂纹后开始测试；
步骤4、考虑模量梯度的影响，对基于裂纹张开位移的卸载柔度法进行修正，以准确测量裂纹长度：
a/W＝1.0012-4.9165U+23.057U2-323.91U3+1798.3U4-3513.2U5+f(U,β) (1)
式中，a为裂纹长度；W为试件有效宽度；U为无量纲化的卸载柔度，计算如公式(2)：
U＝(0.2+0.8β)E1×B×(V/P) (2)
其中B为试件厚度，V/P为疲劳加载循环中卸载阶段的裂纹张开位移-载荷曲线的斜率，裂纹张开位移V由引伸计测量，载荷P由实验机传感器反馈。梯度材料中模量变化，为简化处理，将模量定义为缺口测模量E1以及模量比β的函数。
f(U,β)为针对裂纹长度测量的梯度修正项，对于线性梯度紧凑拉伸试件，其表达式如(3)：
步骤5、测试过程依据当前裂纹长度对疲劳载荷进行调整，对应关系如式(4)：
式(4)中：ΔK为一个疲劳循环载荷对应的应力强度因子幅值，a0为预置的疲劳裂纹长度；Kmax为测试过程中需要测量的应力强度因子的最大值，需要人为给定，且不大于材料断裂韧性KIC；C为降载梯度，标准中推荐取值为-0.05～-0.15；R＝Pmax/Pmin为疲劳载荷的应力比，有0≤R＜1。
步骤6、将应力强度因子幅值转换为实验设备所能识别的载荷值，如式(5)：
g(a/W,β)为针对载荷计算的梯度修正项，如式(6)：
步骤7、测试过程中裂纹每扩展Δa自动记录当前裂纹长度a、总加载循环数N以及当前载荷对应的应力强度因子幅值ΔK；
步骤8、参照实验标准处理试验数据，将记录的a-N-ΔK的试验数据转化为疲劳裂纹扩展速率。
本发明的有益效果如下：
1、本发明实现了线性梯度材料裂纹扩展速率测试全程自动化进行，测试过程无需人为干预，大大简化了疲劳扩展速率测量的工作。
2、本发明简单易行，仅需在实验控制计算机中定义相关参数的函数关系，利用疲劳试验机自身采样通道即可完成测试，无需额外设备。
3、本发明考虑梯度材料性能变化的影响，自动修正了变化的弹性模量对裂纹长度测量以及载荷计算造成的测量失真，可以直接输出线性梯度材料裂纹扩展速率结果。
4、对于均匀材料，β＝1，公式(3)和(6)中，f(U,β)≡0且g(a/W,β)≡1，公式(2)和(5)可退化为实验标准中给出的均匀材料经验公式，即本发明提出测试方法对均匀材料同样适用。
附图说明
图1为本发明梯度材料裂纹扩展速率测试方法流程图；
图2为本发明所采用的紧凑拉伸试件示意图。
具体实施方式
本发明提供一种线性梯度材料裂纹扩展速率测试方法，为使本发明的目的，技术方案及效果更加清楚，明确，参照附图并举实例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
下面结合附图对本发明做进一步说明。
本发明针对线性梯度材料裂纹扩展速率测试方法，如图1所示，通过下述步骤完成：
步骤1、试件制备，参照实验标准GB/T6398-2000《金属材料疲劳裂纹扩展速率实验方法》中推荐尺寸加工紧凑拉伸试件如图2；
步骤2、计算模量比，按图2中所示，试件含缺口一端弹性模量为E1，梯度方向另外一端弹性模量为E2，期间弹性模量线性变化，模量比β＝E2/E1；
步骤3、将试件装夹至疲劳实验机并安装引伸计，预置裂纹后开始测试；
步骤4、考虑模量梯度的影响，对基于裂纹张开位移的卸载柔度法进行修正，以准确测量裂纹长度：
a/W＝1.0012-4.9165U+23.057U2-323.91U3+1798.3U4-3513.2U5+f(U,β) (1)
式中，a为裂纹长度；W为试件有效宽度；U为无量纲化的卸载柔度，计算如公式(2)：
U＝(0.2+0.8β)E1×B×(V/P) (2)
其中B为试件厚度，V/P为疲劳加载循环中卸载阶段的裂纹张开位移-载荷曲线的斜率，裂纹张开位移V由引伸计测量，载荷P由实验机传感器反馈。梯度材料中模量变化，为简化处理，将模量定义为缺口测模量E1以及模量比β的函数。
f(U,β)为针对裂纹长度测量的梯度修正项，对于线性梯度紧凑拉伸试件，其表达式如(3)：
步骤5、测试过程依据当前裂纹长度对疲劳载荷进行调整，对应关系如式(4)：
式(4)中：ΔK为一个疲劳循环载荷对应的应力强度因子幅值，a0取30％W为预置的疲劳裂纹长度；Kmax为测试过程中需要测量的应力强度因子的最大值，取60％KIC；C为降载梯度，参考标准推荐-0.1；R＝Pmax/Pmin为疲劳载荷的应力比。
步骤6、将应力强度因子幅值转换为实验设备所能识别的载荷值，如式(5)：
g(a/W,β)为针对载荷计算的梯度修正项，如式(6)：
步骤7、为获取足够多数据点，取标准要求的最小长度，测试过程中裂纹每扩展Δa＝0.25mm自动记录当前裂纹长度a、总加载循环数N以及当前载荷对应的应力强度因子幅值ΔK；
步骤8、参照实验标准GB/T6398-2000《金属材料疲劳裂纹扩展速率实验方法》处理试验数据，将记录的a-N-ΔK的试验数据转化为疲劳裂纹扩展速率。

Claims (3)

1.一种线性梯度材料裂纹扩展速率测试方法，其特征在于，通过下述步骤完成：
步骤1、参照实验标准《金属材料疲劳裂纹扩展速率试验方法(GB/T6398)》中推荐尺寸加工紧凑拉伸试件；
步骤2、线性梯度试件中，含缺口一端的弹性模量记为E1，梯度方向另外一端对应弹性模量为E2，计算模量比β＝E2/E1；
步骤3、将试件装夹至疲劳实验机并安装引伸计，预置裂纹后开始测试；
步骤4、考虑模量梯度的影响，对基于裂纹张开位移的卸载柔度法进行修正，以准确测量裂纹长度的具体方法为：
a/W＝1.0012-4.9165U+23.057U2-323.91U3+1798.3U4-3513.2U5+f(U,β)
式中：a为裂纹长度；W为试件有效宽度；f(U,β)为针对裂纹长度测量的梯度修正项；U为无量纲化的卸载柔度，计算公式如下：
U＝(0.2+0.8β)E1×B×(V/P)
其中B为试件厚度，V/P为疲劳加载循环中卸载阶段的裂纹张开位移-载荷曲线的斜率，裂纹张开位移V由引伸计测量，载荷P由实验机传感器反馈；梯度材料中模量变化，为简化处理，将模量定义为缺口测模量E1以及模量比β的函数；
步骤5、测试过程依据当前裂纹长度对疲劳载荷进行调整，对应关系如下：
式中：ΔK为一个疲劳循环载荷对应的应力强度因子幅值，a0为预置的疲劳裂纹长度；Kmax为测试过程中需要测量的应力强度因子的最大值，需要人为给定，且不大于材料断裂韧性KIC；C为降载梯度；R＝Pmax/Pmin为疲劳载荷的应力比；
步骤6、将应力强度因子幅值转换为实验设备所能识别的载荷值，如下式：
其中g(a/W,β)为针对载荷计算的梯度修正项；
步骤7、测试过程中裂纹每扩展Δa记录当前裂纹长度a、总加载循环数N以及当前载荷对应的应力强度因子幅值ΔK；
步骤8、参照实验标准《金属材料疲劳裂纹扩展速率试验方法(GB/T6398)》处理试验数据，将记录的a-N-ΔK的试验数据转化为疲劳裂纹扩展速率。
2.根据权利要求1所述的一种线性梯度材料裂纹扩展速率测试方法，其特征在于，步骤4中，针对裂纹长度测量的梯度修正项f(U,β)，紧凑拉伸试件中其具体表达式为：
3.根据权利要求1所述的一种线性梯度材料裂纹扩展速率测试方法，其特征在于，步骤6中，针对载荷计算的梯度修正项g(a/W,β)，紧凑拉伸试件中其具体表达式为：
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