CN108613890B - 一种测量金属材料ⅱ型裂纹应力强度因子门槛值的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种测量金属材料Ⅱ型裂纹应力强度因子门槛值的方法，试样左端通过试样固定机构固定，右端开设有从右端面向中心延伸的水平缝隙，缝隙内端部设有尖端朝向右端面的三角形裂纹萌生及扩展部分，且尖端处的竖棱上设有V型缺口，缝隙内还插入有支撑棒；夹持机构包的上夹持部与上悬臂之间及下夹持部与下悬臂之间均设置有应力传导棒，疲劳试验机通过上夹持部上部的上柱体施加往复的载荷，试验结束后，将试样垂直于端面剖开，观察Ⅱ型裂纹，计算Ⅱ型裂纹的临界长度对应的应力强度因子幅值，该值即为该金属材料Ⅱ型裂纹应力强度因子门槛值。本发明有利于保证裂纹在中性面萌生，确保剪应力随裂纹长度增加而减小，保证裂纹沿试样中性面稳定扩展。

Description

一种测量金属材料Ⅱ型裂纹应力强度因子门槛值的方法
技术领域
本发明涉及金属材料裂纹检测技术领域，具体为一种测量金属材料Ⅱ型裂纹应力强度因子门槛值的方法。
背景技术
目前还没有测试金属材料Ⅱ型裂纹应力强度因子门槛值的标准试验方法和定型试验设备。目前的测试标准（如国标GB-T6398 金属材料疲劳裂纹扩展速率试验方法）只适用于I型裂纹，疲劳试验机生产厂家也只提供测量I型裂纹应力强度因子门槛值的定型设备。
图1是Ⅱ型裂纹扩展试验的原理图，试样采用双悬臂梁结构。在图中所示循环载荷P作用下，试样所受正应力σ x 和剪应力τ xy 分布如图1所示。在试样的中性面上，试样只承受剪应力而不承受拉应力或压应力。裂纹将在剪应力作用下将沿着中性面扩展，该裂纹为Ⅱ型裂纹。
大量的试验室研究发现，试验过程中的Ⅱ型裂纹容易在加载早期就会发生转向或分叉，即裂纹从Ⅱ型转向I型。近年来，研究者通过对含缺口棒状试样进行压缩扭转试验，定性分析了Ⅱ型裂纹的扩展行为。试验发现在存在静态压应力（即裂纹尖端存在I型应力强度因子K I ＜0）的情况下，由循环剪应力驱动的Ⅱ型裂纹稳定扩展的长度增加。可见，压应力状态可以促进Ⅱ型裂纹的稳定扩展，即，压应力状态不易导致Ⅱ型裂纹发生早期转向或分叉。基于此，本发明提出了一种Ⅱ型裂纹应力强度因子门槛值的测试方法。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提供一种能够保证裂纹沿试样中性面稳定扩展，确保剪应力随裂纹长度增加而减小，有利于保证裂纹在中性面萌生的测量金属材料Ⅱ型裂纹应力强度因子门槛值的试验工装及测试方法。技术方案如下：
一种测量金属材料Ⅱ型裂纹应力强度因子门槛值的试验工装，包括试样、试样固定机构和夹持机构；试样为长方体状，左端通过试样固定机构固定，右端开设有从右端面向中心延伸的水平缝隙，缝隙上方为上悬臂，下方为下悬臂，缝隙内端部设有尖端朝向右端面的三角形裂纹萌生及扩展部分，且尖端处的竖棱上设有V型缺口，缝隙内还插入有支撑棒；夹持机构包括夹持于试样上下两端的上夹持部和下夹持部，且上夹持部与上悬臂之间及下夹持部与下悬臂之间均设置有应力传导棒，上夹持部上部设有上柱体，疲劳试验机的上液压夹头通过上柱体施加往复的载荷，上夹持部和下夹持部通过夹紧螺栓固定连接，下夹持部与夹紧螺栓的螺母间设有加紧力传感器。
进一步的，所述试样固定机构包括连接体，连接体上部设有上固定槽，所述试样左端横向插入上固定槽内，侧面通过固定螺栓固定，上固定槽上方还固定有固定夹块，固定夹块下方设置的凸体紧密抵靠于试样顶部。
更进一步的，所述夹持机构具有两套，上下对称设置，用于同时测试两个试样；连接体下部设有下固定槽，用于固定下方的试样。
更进一步的，所述上夹持部下表面、上悬臂上表面、下夹持部上表面和下悬臂下表面对应位置均设有用于定位应力传导棒的上圆槽。
一种测量金属材料Ⅱ型裂纹应力强度因子门槛值的测试方法，包括：
A：试样安装：采用试样固定机构将试样左端固定，将支撑棒置入上下悬臂之间的缝隙，将两根应力传导棒分别置入上夹持部与上悬臂、下夹持部与下悬臂预制的圆槽中，将两根夹紧螺栓分别穿过上夹持部和下夹持部及夹紧力传感器上的螺孔并拧紧；
B：将上、下两套夹持机构上夹持部上的上柱体，分别夹紧于疲劳试验机的上、下液压夹头中，通过疲劳试验机对工装施加循环载荷，且疲劳试验机的下液压夹头保持不动，对上液压夹头施加往复的载荷；
C：试验结束后，将试样垂直于端面剖开，观察Ⅱ型裂纹，若裂纹发生分叉，裂纹长度即为该金属材料Ⅱ型裂纹的临界长度a， 采用有限元仿真计算裂纹长度a对应的Ⅱ型裂纹应力强度因子幅值ΔK Ⅱ，该值即为该金属材料Ⅱ型裂纹应力强度因子门槛值ΔK Ⅱ,th。
本发明的有益效果是：本发明采用夹持部将试样上下悬臂夹紧，使试样中性面处于压缩+循环剪切应力状态，且压应力和剪应力在中性面上都达到最大值，这保证裂纹沿试样中性面稳定扩展；裂纹扩展试样中设计了裂纹萌生及扩展部分，该部分呈α角，这确保剪应力随裂纹长度增加而减小；裂纹萌生及扩展部分的边缘加工出角度为β的V形缺口，这使位于中性面的V形缺口尖端存在很大应力集中，有利于保证裂纹在中性面萌生，可准确的测量Ⅱ型裂纹应力强度因子门槛值。
附图说明
图1为Ⅱ型裂纹扩展试验基本原理图。
图2为Ⅱ型裂纹扩展试样：（a）为整体模型；（b）为上下悬臂间裂纹萌生及扩展部分示意图；（c）为（b）中虚线处放大图，示出裂纹萌生及扩展部分α角；（d）为（c）中虚线处放大图，示出角度为β的V形缺口。
图3为本发明测量金属材料Ⅱ型裂纹应力强度因子门槛值的试验工装的结构示意图。
图4为图3中虚线处放大图。
图5为上夹持部结构示意图。
图6为下夹持部结构示意图。
图7为固定夹块结构示意图。
图8为连接体结构示意图。
图9为试样剖切示意图。
图10为Ⅱ型裂纹观察。
图11含预制裂纹的Ⅱ型裂纹扩展试样模型。
图中：1-上夹持部；11-上柱体；12-圆槽；2-下夹持部；3-夹紧力传感器；4-连接体；41-上固定槽；42-下固定槽；5-固定夹块；51-凸体；6-固定螺栓；7-夹紧螺栓；8-试样；81-上悬臂；82-上悬臂；83-缝隙；85-螺孔；86-裂纹萌生及扩展部分；87- V型缺口；9-应力传导棒；10-支撑棒。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。本发明提出了一种Ⅱ型裂纹应力强度因子门槛值的测试方法。具体如下：
试样设计：如图2所示，试样8为长方体状，左端通过试样固定机构固定，右端开设有从右端面向中心延伸的水平缝隙83，缝隙83上方为上悬臂81，下方为下悬臂82，缝隙83内端部设有尖端朝向右端面的三角形裂纹萌生及扩展部分86，且尖端处的竖棱上设有V型缺口87，缝隙83内还插入有支撑棒10。
所述上夹持部1下表面、上悬臂81上表面、下夹持部2上表面和下悬臂82下表面对应位置均设有用于定位应力传导棒9的上圆槽12。
根据弯曲载荷作用下双悬臂梁结构试样中性面所受剪应力最大而拉应力为零的特点，设计了图2所示的Ⅱ型裂纹扩展试样。螺孔用来固定试样与试验工装。圆槽用来置入应力传导棒，应力传导棒为φ2mm圆柱体，以实现线接触加载。支撑棒10为φ1mm圆柱体。1mm的缝隙使试样产生上下悬臂，上下悬臂间的裂纹萌生及扩展部分呈α角，这确保剪应力随裂纹长度增加而减小。该部分的边缘加工出角度为β的V形缺口，位于中性面的V形缺口尖端存在很大应力集中，这确保裂纹沿中性面扩展。
工装设计：包括试样固定机构和夹持机构。
试样固定机构包括连接体4，连接体4上部设有上固定槽41，所述试样8左端横向插入上固定槽41内，侧面通过固定螺栓6固定，上固定槽41上方还固定有固定夹块5，固定夹块5下方设置的凸体51紧密抵靠于试样8顶部。
夹持机构包括夹持于试样8上下两端的上夹持部1和下夹持部2，且上夹持部1与上悬臂81之间及下夹持部2与下悬臂82之间均设置有应力传导棒9，上夹持部1上部设有上柱体11，疲劳试验机的上液压夹头通过上柱体11施加往复的载荷，上夹持部1和下夹持部2通过夹紧螺栓7固定连接，下夹持部2与夹紧螺栓7的螺母间设有夹紧力传感器3。
本实施例夹持机构具有两套，上下对称设置，用于同时测试两个试样；连接体4下部设有下固定槽42，用于固定下方的试样。图3和图4所示为Ⅱ型裂纹扩展试验工装装配图。该工装可同时安装上、下两个试样，进行Ⅱ型裂纹扩展试验，两个试样对应的夹持及测试部件相同。工装主要由上下夹持部、夹紧力传感器、夹紧螺栓、固定夹块、固定螺栓、连接体、φ1 mm和φ2 mm圆柱等部分组成。工装主要组成部分的形状见图5~8。
试样安装：将上试样置入连接体的上固定槽（见图8）中，将固定螺栓穿过试样及连接体上的螺孔并拧紧，将固定夹块上的凸体51扣入连接体的上固定槽中，并用四根螺栓拧紧。以此实现试样的固定。将一根φ1mm圆柱做的支撑棒10置入上下悬臂之间的缝隙，以避免加载过程中试样V形缺口出现严重挤压变形，影响裂纹扩展。将两根应力传导棒分别置入上夹持部与上悬臂、下夹持部与下悬臂预制的圆槽中。将两根夹紧螺栓分别穿过夹持部件上、下及夹紧力传感器上的螺孔并拧紧。通过夹紧力传感器实时监控夹紧力的变化。以此实现试样中性面处于受压状态。以相同的方式安装下试样。
测试过程：将上、下两套夹持机构上夹持部上的上柱体，分别夹紧于疲劳试验机的上、下液压夹头中，通过疲劳试验机对工装施加循环载荷。其中，疲劳试验机的下液压夹头保持不动，对上液压夹头施加往复的载荷。试验结束后，将试样垂直于端面剖开，如图9所示，观察Ⅱ型裂纹，如图10所示。若裂纹终端出现分叉现象，则对应的裂纹长度即为该金属材料Ⅱ型裂纹的临界长度a。
参照Ⅱ型裂纹扩展试样的形状及尺寸建立有限元模型，在试样V形缺口尖端预制长度为a的裂纹，如图11所示。使用有限元软件仿真计算裂纹长度a对应的Ⅱ型裂纹应力强度因子幅值ΔK Ⅱ。该值即为该金属材料Ⅱ型裂纹应力强度因子门槛值ΔK Ⅱ,th。

Claims (5)

1.一种测量金属材料Ⅱ型裂纹应力强度因子门槛值的试验工装，其特征在于，包括试样（8）、试样固定机构和夹持机构；试样（8）为长方体状，左端通过试样固定机构固定，右端开设有从右端面向中心延伸的水平缝隙（83），缝隙（83）上方为上悬臂（81），下方为下悬臂（82），缝隙（83）内端部设有尖端朝向右端面的三角形裂纹萌生及扩展部分（86），且尖端处的竖棱上设有V型缺口（87），缝隙（83）内还插入有支撑棒（10）；夹持机构包括夹持于试样（8）上下两端的上夹持部（1）和下夹持部（2），且上夹持部（1）与上悬臂（81）之间及下夹持部（2）与下悬臂（82）之间均设置有应力传导棒（9），上夹持部（1）上部设有上柱体（11），疲劳试验机的上液压夹头通过上柱体（11）施加往复的载荷，上夹持部（1）和下夹持部（2）通过夹紧螺栓（7）固定连接，下夹持部（2）与夹紧螺栓（7）的螺母间设有夹紧力传感器（3）。
2.根据权利要求1所述的测量金属材料Ⅱ型裂纹应力强度因子门槛值的试验工装，其特征在于，所述试样固定机构包括连接体（4），连接体（4）上部设有上固定槽（41），所述试样（8）左端横向插入上固定槽（41）内，侧面通过固定螺栓（6）固定，上固定槽（41）上方还固定有固定夹块（5），固定夹块（5）下方设置的凸体（51）紧密抵靠于试样（8）顶部。
3.根据权利要求2所述的测量金属材料Ⅱ型裂纹应力强度因子门槛值的试验工装，其特征在于，所述夹持机构具有两套，上下对称设置，用于同时测试两个试样；连接体（4）下部设有下固定槽（42），用于固定下方的试样。
4.根据权利要求2所述的测量金属材料Ⅱ型裂纹应力强度因子门槛值的试验工装，其特征在于，所述上夹持部（1）下表面、上悬臂（81）上表面、下夹持部（2）上表面和下悬臂（82）下表面对应位置均设有用于定位应力传导棒（9）的上圆槽（12）。
5.一种采用权利要求1所述试验工装测量金属材料Ⅱ型裂纹应力强度因子门槛值的测试方法，其特征在于，包括：
A：试样安装：采用试样固定机构将试样左端固定，将支撑棒置入上下悬臂之间的缝隙，将两根应力传导棒分别置入上夹持部与上悬臂、下夹持部与下悬臂预制的圆槽中，将两根夹紧螺栓分别穿过上夹持部和下夹持部及夹紧力传感器上的螺孔并拧紧；
B：将上、下两套夹持机构上夹持部上的上柱体，分别夹紧于疲劳试验机的上、下液压夹头中，通过疲劳试验机对工装施加循环载荷，且疲劳试验机的下液压夹头保持不动，对上液压夹头施加往复的载荷；
C：试验结束后，将试样垂直于端面剖开，观察Ⅱ型裂纹，若裂纹发生分叉，裂纹长度即为该金属材料Ⅱ型裂纹的临界长度a， 采用有限元软件仿真计算裂纹长度a对应的Ⅱ型裂纹应力强度因子幅值ΔK Ⅱ，该值即为该金属材料Ⅱ型裂纹应力强度因子门槛值ΔK Ⅱ,th。
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