CN106596261A - 一种测量焊接板件垂直于焊缝方向的本征疲劳裂纹扩展速率的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测量焊接板件垂直于焊缝方向的本征疲劳裂纹扩展速率的方法，属于固体力学技术领域。所述方法首先测量平行于焊缝方向的残余应力；然后将焊接板件加工为含有焊缝的紧凑拉伸试样，其裂纹扩展方向与焊缝方向垂直；计算对应于不同裂纹长度下的残余应力应力强度因子；通过残余应力叠加模型，并结合给定的恒定应力强度因子变程和恒定有效应力比，计算出不同裂纹长度下所应施加的外加载荷；在计算出的外加载荷下进行疲劳裂纹扩展试验，确定焊接件在给定的恒定应力强度因子变程和恒定有效应力比下的本征疲劳裂纹扩展速率。本发明通过疲劳试验可直接获得给定应力状态下焊接件的本征裂纹扩展速率，较为简便，准确度高。

Description

一种测量焊接板件垂直于焊缝方向的本征疲劳裂纹扩展速率 的方法

技术领域

本发明属于固体力学领域，涉及的是一种焊接工艺引起的材料微观结构的改变对疲劳裂纹扩展速率影响的测量方法，具体是指在恒定应力强度因子变程和恒定有效应力比下测量焊接件疲劳裂纹扩展速率的方法。

背景技术

先进焊接技术由于结构重量轻，加工效率高，经济效益好等诸多优点在航空工业领域得到了广泛应用，但同时也为结构的损伤容限评估带来了新的挑战。疲劳裂纹扩展寿命预测是损伤容限评估的一项重要内容，故而研究焊接结构的疲劳裂纹扩展速率具有重要意义。

焊接工艺对结构裂纹扩展速率的影响主要体现在以下两个方面：首先，焊接过程中陡峭的热梯度以及不均匀变形会引入残余应力，从而改变结构的受力状态，影响其裂纹扩展速率。其次，焊接过程也使得材料的微观结构发生变化，晶粒的大小，材料的硬度及力学性能也会与母材不同。然而，现有的裂纹扩展寿命预测模型中只考虑了残余应力的因素，而忽略了微观结构的改变对裂纹扩展速率造成的影响，主要原因是缺少材料微观结构改变后的裂纹扩展特性的研究。测量焊接结构本征裂纹扩展速率的方法通常有两种，一种是基于塑性拉伸的方法，另一种则是基于残余应力叠加模型并与经验公式相结合的预测方法。

基于塑性拉伸的方法较为简便，即在进行疲劳试验之前，先将焊接结构拉伸2％的塑性应变来释放焊接过程引入的残余应力，从而得到仅有微观结构改变影响下的裂纹扩展速率。但此方法也有以下缺点：拉伸2％的塑性应变并不能完全释放结构中的残余应力(事实上大约释放90％)，且拉伸过程所形成的塑性区会对裂纹扩展尖端塑性区产生影响。此外，拉伸过程进一步改变了材料的微观结构。这些因素都影响了测量本征裂纹扩展速率的准确性。

Xiang Zhang和Rui Bao(参见文献[1]Zhang X,Bao R.Evaluation of theintrinsic crack growth rates of weld joints[J].International Journal ofFatigue,2011,33(4):588-596.)提出了基于残余应力叠加模型并与经验公式相结合的预测本征裂纹扩展速率的方法。它的思路是先通过基于残余应力叠加模型(参考文献[2]Glinka G.Effect of residual stresses on fatigue crack growth in steelweldments under constant and variable amplitude loads[C]//Fracture Mechanics:Proceedings of the Eleventh National Symposium on Fracture Mechanics:PartI.ASTM International,1979和参考文献[3]Parker A P.Stress intensity factors,crack profiles,and fatigue crack growth rates in residual stress fields[M]//Residual stress effects in fatigue.ASTM International,1982.)的经验公式计算获得仅有残余应力影响下的裂纹扩展速率，然后再用试验测得的焊接结构的裂纹扩展速率减去这个速率，即可获得微观结构改变对裂纹扩展速率的影响。这种方法较为复杂，而且基于经验公式的计算使得方法的准确性有待考究。

发明内容

本发明要解决技术问题为：克服现有技术的不足，提供一种测量焊接板件垂直于焊缝方向的本征疲劳裂纹扩展速率的方法，只需要在给定的恒定应力强度因子变程和恒定有效应力比条件下进行疲劳试验，即可直接获得焊接结构的本征裂纹扩展速率。

本发明提供一种测量焊接板件垂直于焊缝方向的本征疲劳裂纹扩展速率的方法，该方法步骤为：

第一步、残余应力测量：通过常用残余应力测量方法测量焊接板件纵向(平行于焊缝方向)的残余应力；

第二步、加工试件：按照裂纹扩展试验要求，将焊接板件加工为裂纹扩展方向垂直于焊缝的紧凑拉伸试件，其具体尺寸应符合测量疲劳裂纹扩展速率的标准ASTM E647的要求。

第三步、结合试件的具体尺寸，计算不同裂纹长度下残余应力应力强度因子；

第四步、通过残余应力叠加模型，并结合给定的恒定应力强度因子变程和恒定有效应力比，计算出不同裂纹长度下所应施加的外加载荷；

第五步、在第四步得出的外加载荷下进行疲劳裂纹扩展试验，确定焊接板件在给定的恒定应力强度因子变程和恒定有效应力比下的本征疲劳裂纹扩展速率。

本发明的优点在于：

(1)、本发明相对于塑性拉伸方法，提高了预测结果的准确性。因为在塑性拉伸方法中，残余应力没有全部释放，且塑性应变会对裂纹前端塑性区产生影响，进而影响了本征速率的测量。而本发明通过控制外加载荷消除了残余应力对裂纹扩展速率的影响，不存在上述问题。

(2)、相对于叠加模型与经验公式相结合的方法，本发明实施较为简便，且在结果的精度上有一定提高。基于经验公式的计算方法使得预测结果在很大程度上取决于公式与参数的选取，且计算过程较为复杂。而在本发明中，只需要计算外加应力且不依赖于经验公式，测量过程较为简便，预测精度较高。

附图说明

图1为本发明测量焊接板件垂直于焊缝方向的本征疲劳裂纹扩展速率的方法实现流程图；

图2为本发明中采用的紧凑拉伸试件结构示意图；

图中：

1、试件；2、焊缝；3、焊缝中心；4、初始切口前端。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实例进一步说明本发明。

本发明提供一种测量焊接板件垂直于焊缝方向的本征疲劳裂纹扩展速率的方法，所述测试方法需要的试验设备包括X射线应力测定仪，液压伺服疲劳试验机，裂纹观测及长度测量装置，试验试件，方法步骤流程如图1所示，具体如下：

第一步，残余应力测量；

使用X射线应力测定仪测量焊接板件的纵向(平行于焊缝方向)的残余应力分布；

第二步，加工试件；

按照裂纹扩展试验要求，将焊接板件加工为如图2的含焊缝2的紧凑拉伸试件1，焊缝2位于切口前端4与试件右侧边缘之间且焊缝中心3与切口前端4的距离没有严格要求。其余具体尺寸只需满足测量疲劳裂纹扩展速率的标准ASTM E647要求即可。本实例中试件1的宽度为52mm，厚度为5mm，焊缝2宽度D为12mm，且焊缝中心3距离初始切口前端4为10.6mm，其尺寸均符合标准ASTM E647要求；

第三步，计算残余应力应力强度因子；

使用ANSYS软件建立试件1在裂纹扩展到不同长度下的有限元模型，并将第一步中测得的残余应力施加在有限元模型上，使用KCALC命令获得不同裂纹长度下的残余应力应力强度因子K_res；

第四步，计算不同裂纹长度下的外加载荷；

给定裂纹扩展试验过程中恒定应力强度因子变程(ΔK_app,const)和恒定有效应力比(R_eff,const)，并结合残余应力叠加模型，计算出不同裂纹长度下所应施加的外加载荷P；

第五步，获得焊接板件的本征裂纹扩展速率；

在第四步得出的外加载荷P下进行疲劳裂纹扩展试验，确定焊接板件在给定的恒定应力强度因子变程和恒定有效应力比下的本征疲劳裂纹扩展速率。

所述第四步中，不同裂纹长度下外加载荷是在给定的恒定应力强度因子变程和恒定有效应力比情况下通过叠加模型计算获得。

所述第五步中，焊接件本征疲劳裂纹扩展速率是在恒定应力强度因子变程和恒定有效应力比下测得。

本发明的焊接板件本征裂纹扩展速率测量的基本原理是：通过控制外加载荷消除残余应力对裂纹扩展速率的影响，从而直接获得焊接结构的本征裂纹扩展速率。

基于残余应力的叠加模型，可知残余应力仅对有效应力比R_eff产生影响，即

ΔK_tot＝K_tot,max-K_tot,min＝(K_app,max+K_res)-(K_app,min+K_res)＝ΔK_app (1)

其中，ΔK_tot为总应力强度因子变程，K_tot,max为总应力强度因子的最大值，K_tot,min为总应力强度因子的最小值。ΔK_app为外加应力强度因子变程，K_app,max为外加应力强度因子的最大值，K_app,min为外加应力强度因子的最小值。R_eff为有效应力比。所以，只需要使试验过程中的有效应力比R_eff保持恒定，则残余应力对裂纹扩展速率的影响便得以消除。

如果给定试验过程中恒定应力强度因子变程(ΔK_app,const)和恒定有效应力比(R_eff,const)，并结合残余应力叠加模型，可计算出不同裂纹长度下所应施加的外加应力强度因子K_app的最大值和最小值如下：

故而外加载荷P可通过下式计算获得：

其中，W为试件1宽度，B为试件1厚度，α为试件1裂纹长度与试件宽度之比。

通过公式(5)获得的外加载荷P，可以使试验过程中应力强度因子变程(ΔK_app,const)和有效应力比(R_eff,const)保持恒定，从而直接获得给定ΔK_app,const和R_eff,const下的本征裂纹扩展速率。

本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知技术。

Claims (2)

1.一种测量焊接板件垂直于焊缝方向的本征疲劳裂纹扩展速率的方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤，

第一步、测量焊接板件平行于焊缝方向的纵向残余应力；

第二步、加工试件：将焊接板件加工为裂纹扩展方向垂直于焊缝的紧凑拉伸试件，其具体尺寸应符合测量疲劳裂纹扩展速率的标准ASTM E647的要求；

第三步、结合试件的尺寸，计算不同裂纹长度下残余应力应力强度因子；

第四步、通过残余应力叠加模型，并结合给定的恒定应力强度因子变程和恒定有效应力比，计算出不同裂纹长度下所应施加的外加载荷；

第五步、在第四步得出的外加载荷下进行疲劳裂纹扩展试验，确定焊接板件在给定的恒定应力强度因子变程和恒定有效应力比下的本征疲劳裂纹扩展速率。

2.根据权利要求1所述的一种测量焊接板件垂直于焊缝方向的本征疲劳裂纹扩展速率的方法，其特征在于：所述第四步的具体计算过程为，

基于残余应力的叠加模型，残余应力仅对有效应力比R_eff产生影响，即

ΔK_tot＝K_tot,max-K_tot,min＝(K_app,max+K_res)-(K_app,min+K_res)＝ΔK_app (1)

$R_{eff}=\frac{K_{app,min}+K_{res}}{K_{app,\max }+K_{res}}---\left(2\right)$

其中，ΔK_tot为总应力强度因子变程，K_tot,max为总应力强度因子的最大值，K_tot,min为总应力强度因子的最小值；ΔK_app为外加应力强度因子变程，K_app,max为外加应力强度因子的最大值，K_app,min为外加应力强度因子的最小值；R_eff为有效应力比；

给定试验过程中恒定应力强度因子变程ΔK_app,const和恒定有效应力比R_eff,const，并结合残余应力叠加模型，计算出不同裂纹长度下所应施加的外加应力强度因子K_app的最大值和最小值如下：

$K_{app,max}=\frac{{\mathrm{\ΔK}}_{app,const}}{1-R_{eff,const}}-K_{res}---\left(3\right)$

$K_{app,\min }=\frac{{\mathrm{\ΔK}}_{app,const}}{1-R_{eff,const}}-K_{res}-{\mathrm{\ΔK}}_{app,const}---\left(4\right)$

故而对于紧凑拉伸试样不同裂纹长度下外加载荷P通过下式计算获得：

$P=K_{app}B\sqrt{W}\frac{{(1-\mathrm{\α})}^{3/2}}{(2+\mathrm{\α})}{(0.886+4.64\mathrm{\α}-13.32{\mathrm{\α}}^2+14.72{\mathrm{\α}}^3-5.6{\mathrm{\α}}^4)}^{-1}---\left(5\right)$

其中，W为试件宽度，B为试件厚度，α为试件裂纹长度与试件宽度之比。