CN114323994A

CN114323994A - 一种t型波保载试验的三点弯曲试样疲劳裂纹扩展速率的测试方法

Info

Publication number: CN114323994A
Application number: CN202111571959.7A
Authority: CN
Inventors: 王学刚; 段启强; 张哲峰
Original assignee: Institute of Metal Research of CAS
Current assignee: Institute of Metal Research of CAS
Priority date: 2021-12-21
Filing date: 2021-12-21
Publication date: 2022-04-12

Abstract

本发明公开了一种T型波保载试验的三点弯曲试样疲劳裂纹扩展速率的测试方法，属于材料疲劳测试技术领域。该方法为：加工待测SEB试样；确定应力强度因子范围△K及试验载荷范围△F；编辑试验加载程序，采用T形波作为加载波形；预制裂纹并依据柔度法测量出试样的弹性模量E；根据试验加载程序开始试验，采集时间、载荷、位移、COD规应变量、循环寿命等原始数据，直到试样完全断裂，然后将获得的原始数据代入柔度法计算公式计算试样裂纹长度；对获得的多个试样的疲劳寿命N_f和裂纹长度a数据进行数据处理，获得该材料在梯型波加载条件下的稳态裂纹扩展速率；并将裂纹扩展量为0.5mm时对应的循环寿命作为试样在T梯型波加载条件下的萌生寿命。

Description

一种T型波保载试验的三点弯曲试样疲劳裂纹扩展速率的测试方法

技术领域

本发明涉及材料疲劳测试技术领域，具体涉及一种T型波保载试验的三点弯曲试样疲劳裂纹扩展速率的测试方法。

背景技术

海洋占地球总面积的70％，占地球生存空间的90％以上。在广袤的海洋世界里，海洋影响陆地上的气候和天气现象，大量海洋动植物是人类重要的食物来源。海洋拥有丰富的自然资源可供人类开发利用，包括水资源、生物资源、矿产资源、空间资源以及能量资源等。虽然人类很早就开始对海洋进行探索和开发，从最早的潜水到现在的深海探测器逐步增加对海洋的了解。但是，人类到目前为止只能探索大约5％的海底。剩下的95％的海洋仍然是个谜。

随着科学技术的发展，人类逐步加大对海洋的开发和利用，活动半径逐步深入向深海，在深海的活动范围逐渐增加，就需要发展深海探测技术。深海勘探是一项极具挑战性的活动，需要先进的设备、庞大的预算、勇敢和有经验的人员。位于大洋深处的深潜器一旦发生危险就会造成巨大的损失，因此深海探测器对材料的使用要求非常苛刻，必须保证深潜器的服役安全。

深海探测器在整个下潜和上浮的过程中并不是直接到达目标位置，而是一个逐步缓慢下潜的过程，深海探测器的整个下潜过程分成很多下潜单元，每次下潜到目标深度后进行一定时间的保载后才能够继续下潜，上浮过程与之相反。因此深潜器在整个下潜和上浮过程中受到的是T型波。

深潜器复杂的工作环境要求我们必须保证其服役安全性，需要开展对深潜器材料在高压下的服役可靠性研究，准确测试出材料的疲劳断裂性能是整个研究的基础。因此，我们要能够准确测试出该材料在T型波保载试验的疲劳裂纹萌生寿命和裂纹扩展速率。

现阶段的测试软件只能实现测量加载波形为正弦波或者三角波的疲劳裂纹扩展速率，无法测量加载波形为T形波的材料疲劳裂纹扩展速率试验。从而无法准确评价深潜器材料的疲劳裂纹萌生寿命和裂纹扩展速率，进而无法为深潜器的服役可靠性设计提供数据支持。

由疲劳断裂导致的金属构件失效破坏往往具有突发性、灾难性的特点，深潜器由于其工作环境的复杂性一旦发生故障根本无法救援，会产生严重的政治、经济影响，后果不堪设想。疲劳裂纹萌生寿命和裂纹扩展速率作为材料疲劳测试中的重要参数，决定了探测器构件的服役可靠性，因此必须准确测量深潜器材料的疲劳裂纹萌生寿命和裂纹扩展速率。

现有的测试软件只能测量加载波形为三角波或正弦波条件下的材料疲劳裂纹扩展速率，无法直接测量加载波形为T形波的材料疲劳裂纹扩展速率，因此需要开发一种新的测试方法来准确模拟深潜器在下潜或者上浮过程中的受力状态。

发明内容

本发明的目的在于提供一种T型波保载试验的三点弯曲试样疲劳裂纹扩展速率的测试方法，主要用于实现加载条件为T型波的材料疲劳裂纹萌生寿命和裂纹扩展速率的测试，能够准确获得T型波保载试验的三点弯曲试样疲劳裂纹萌生寿命及裂纹扩展速率数据。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种T型波保载试验的三点弯曲试样疲劳裂纹扩展速率的测试方法，该方法包括如下步骤：

(1)根据材料实际情况设计并加工待测试样结构，待测试样为三点弯曲(SEB)试样；

(2)确定材料裂纹扩展对应的应力强度因子范围△K，并根据应力强度因子范围△K及公式(2)计算出所需的试验载荷范围△F；

公式(1)中，△F为试验载荷范围；B为试样厚度；S为跨距；W为试样加载孔到试样根部的距离；f(a/W)为计算参数；三点弯曲(SEB)试样的f(a/W)按公式(2)计算；

(3)利用电液伺服疲劳试验机上的软件编辑试验加载程序，采用T形波作为加载波形，分别设置加载、保载和卸载的时间以及相应的载荷；

(4)使用电液伺服疲劳试验机预制裂纹，依据柔度法测量出试样的弹性模量E，然后根据步骤(3)中设置好的试验加载程序开始试验，整个试验过程需要采集时间、载荷、位移、COD规测量的应变量、循环寿命等原始数据，直到试样完全断裂，然后将获得的原始数据代入柔度法计算公式计算获得试样的裂纹长度；

(5)多次重复步骤中柔度法计算的过程，采用不同阶段循环寿命对应的载荷和COD规测量的应变量计算获得相应试样的裂纹长度a；对获得的试样的多个疲劳寿命N_f和对应裂纹长度a数据进行数据处理，建立裂纹扩展速率(da/dN)与应力强度因子范围(△K)的双对数关系曲线，进而获得该材料在T型波保载试验的稳态裂纹扩展速率；并将裂纹扩展量为0.5mm时对应的循环寿命作为试样在T型波保载试验的萌生寿命。

上述步骤(4)中，对于SEB试样，将获得的原始数据代入柔度法计算公式(3)-(4)计算获得SEB试样的裂纹长度；

公式(3)和公式(4)中：B表示试样厚度，E表示弹性模量，V表示COD规测量的应变量，F表示试验载荷，a表示裂纹长度，C₀～C₅表示计算常数；W为试样加载孔到试样根部的距离。

公式(3)中，采用取卸载90％～40％载荷以及对应的COD规测量的应变量进行计算。

上述步骤(5)中，对获得的试样的多个疲劳寿命N_f和对应的裂纹长度a数据进行数据处理的过程如下：

将其中不满足公式(5)的数据点去掉，剩余数据代入公式(6)所示的裂纹扩展速率(da/dN)与应力强度因子范围(K)的双对数关系曲线中，通过双对数线性拟合得到公式中的参数C与m的值，从而获得该材料在T型波保载试验的稳态裂纹扩展速率；并将裂纹扩展量为0.5mm时对应的循环寿命作为试样在T型波保载试验的萌生寿命。

W-a＞(12WF/2BR_p0.2)^1/2 (5)；

公式(5)中，W为试样宽度，F表示试验载荷，B表示试样厚度，R_p0.2表示材料屈服强度；

公式(6)中，C与m为参数，可通过拟合获得。

上述步骤(4)中，使用柔度法测量裂纹长度时，需要实时修改弹性模量E，使数据处理计算出的裂纹长度与试样的实际裂纹长度相同，记录此时的弹性模量E；之后的测试过程中，弹性模量E固定，通过改变试验中的COD规测量的应变量V及试验载荷F，获得不同的裂纹长度a。

本发明试验过程中必须使用COD规采集应变量。

本发明测试方法不适用于腐蚀介质环境下的裂纹扩展速率测试。

本发明设计原理及有益效果如下：

本发明方法能够准确测量并计算出T型波保载试验的材料的裂纹萌生寿命及扩展速率，通过与试样裂纹实际长度进行对比，准确率达到95％以上。解决现有试验软件无法实现的难题，为海洋资源的探测和利用提供准确的数据支持。

附图说明

图1为三点弯曲(SEB)试样结构尺寸图。

图2为T型波加载图。

具体实施方式

为了进一步理解本发明，以下结合实例对本发明进行描述，但实例仅为对本发明的特点和优点做进一步阐述，而不是对本发明权利要求的限制。

本发明测试方法主要用于解决疲劳试验机软件无法计算的T型波(如下图2所示)保载试验的裂纹萌生寿命及裂纹扩展速率。本发明通过编程采集T形波加载计算所需的原始参数，采用试样卸载阶段的载荷变化、COD规变化量和弹性模量利用柔度法计算出试样的裂纹长度，并通过与试样的实际裂纹长度进行对比，修改计算参数，最终获得T型波保载试验试样的裂纹萌生寿命和裂纹扩展速率。

首先需要根据T形波的加载模式编辑试验方法，使用COD规采集应变量等后期数据处理所需的原始数据，然后根据柔度法人工计算获得试样裂纹长度，并根据试样的实际裂纹长度对计算结果进行修正，获得准确的裂纹长度以及对应的应力强度因子ΔK、裂纹扩展速率da/dN等结果。从而准确模拟出深海探测器在深海作业过程中的受力状况，保证深海探测器的使用安全，为我国的海洋开发利用提供技术支持。

实施例1：

本实施例为T型波保载试验三点弯曲(SEB)试样的疲劳裂纹扩展速率的测试方法，具体如下：

(1)加工待测三点弯曲(SEB)试样，试样尺寸如图1所示；测量并记录B(试样厚度)、W(试样宽度)等尺寸信息。

(2)确定材料裂纹扩展对应的应力强度因子范围△K，并根据应力强度因子范围△K及公式(1)计算出所需的试验载荷范围△F；

公式(1)中，△F为试验载荷范围；B为试样厚度；S为跨距；W为试样加载孔到试样根部的距离；f(a/W)为计算参数；

(3)利用电液伺服疲劳试验机上的软件编辑试验加载程序，采用T形波作为加载波形，分别设置加载、保载和卸载的时间以及相应的载荷F(F为△F内的某一点值)；

(4)安装试样和COD规。使用电液伺服疲劳试验机预制裂纹，依据柔度法测量出SEB试样的弹性模量E，然后根据步骤(3)中设置好的试验加载程序开始试验，整个试验过程需要采集时间、载荷、位移、COD规测量的应变量、循环寿命等原始数据，直到试样完全断裂；将获得的原始数据代入柔度法计算公式(3)-(4)计算获得试样的裂纹长度；通过实时修改弹性模量E直到计算出的裂纹长度与实际裂纹长度相同为止，记录E。

公式(3)和公式(4)中：B表示试样厚度，E表示弹性模量，V表示COD规测量的应变量，F表示试验载荷，采用取卸载90％～40％载荷以及对应的COD规测量的应变量进行计算；a表示裂纹长度，C₀～C₅表示计算常数；W为试样宽度；S表示跨距。

(5)多次重复步骤(4)中柔度法计算的过程，采用不同阶段循环寿命对应的载荷和COD规测量的应变量计算获得相应试样的裂纹长度a(测试过程中弹性模量E不变，仅V、F变化，从而获得不同的裂纹长度a)；对获得的试样的多个疲劳寿命N_f和相对应裂纹长度a数据进行数据处理，过程为：将其中不满足公式(5)的数据点去掉，剩余数据代入公式(6)所示的裂纹扩展速率(da/dN)与应力强度因子范围(K)的双对数关系曲线中，通过双对数线性拟合得到公式中的参数C与m的值，从而获得该材料在T型波保载试验的稳态裂纹扩展速率；并将裂纹扩展量为0.5mm时对应的循环寿命作为试样在T型波保载试验的萌生寿命。

W-a＞(12WF/2BR_p0.2)^1/2 (5)；

公式(6)中，C与m为参数，可通过拟合获得。

Claims

1.一种T型波保载试验的三点弯曲试样疲劳裂纹扩展速率的测试方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：

公式(2)中，△F为试验载荷范围；B为试样厚度；S为跨距；W为试样加载孔到试样根部的距离；f(a/W)为计算参数；三点弯曲(SEB)试样的f(a/W)按公式(2)计算；

(3)利用电液伺服疲劳试验机上的软件编辑试验加载程序，采用梯形波作为加载波形，分别设置加载、保载和卸载的时间以及相应的载荷；

(5)多次重复步骤(4)中柔度法计算的过程，采用不同阶段循环寿命对应的载荷和COD规测量的应变量计算获得相应试样的裂纹长度a；对获得试样的疲劳寿命N_f和相对应的裂纹长度a数据进行数据处理，建立裂纹扩展速率(da/dN)与应力强度因子范围(△K)的双对数关系曲线，进而获得该材料在T型波保载试验的稳态裂纹扩展速率；并将裂纹扩展量为0.5mm时对应的循环寿命作为试样在T型波保载试验的萌生寿命。

2.根据权利要求1所述的T型波保载试验的三点弯曲试样疲劳裂纹扩展速率的测试方法，其特征在于：步骤(4)中，对于SEB试样，将获得的原始数据代入柔度法计算公式(3)-(4)计算获得SEB试样的裂纹长度；

公式(3)和公式(4)中：B表示试样厚度，E表示弹性模量，V表示COD规测量的应变量，F表示试验载荷，a表示裂纹长度，C₀～C₅表示计算常数；W为试样宽度；S表示跨距。

3.根据权利要求2所述的T型波保载试验的三点弯曲试样疲劳裂纹扩展速率的测试方法，其特征在于：公式(3)中，采用取卸载90％～40％载荷以及对应的COD规测量的应变量进行计算。

4.根据权利要求1所述的T型波保载试验的三点弯曲试样疲劳裂纹扩展速率的测试方法，其特征在于：步骤(5)中，对获得的试样的多个疲劳寿命N_f和相对应裂纹长度a数据进行数据处理的过程如下：

将其中不满足公式(5)的数据点去掉，剩余数据代入公式(6)所示的裂纹扩展速率(da/dN)与应力强度因子范围(K)的双对数关系曲线中，通过双对数线性拟合得到公式中的参数C与m的值，从而获得该材料在T型波保载试验的稳态裂纹扩展速率；并将裂纹扩展量为0.5mm时对应的循环寿命作为试样在T型波保载试验的萌生寿命；

W-a＞(12WF/2BR_p0.2)^1/2 (5)；

公式(6)中，C与m为参数，可通过拟合获得。

5.根据权利要求1所述的T型波保载试验的三点弯曲试样疲劳裂纹扩展速率的测试方法，其特征在于：试验过程中必须使用COD规采集应变量。

6.根据权利要求1所述的T型波保载试验的三点弯曲试样疲劳裂纹扩展速率的测试方法，其特征在于：该测试方法不适用于腐蚀介质环境下的裂纹扩展速率测试。

7.根据权利要求2所述的T型波保载试验的三点弯曲试样疲劳裂纹扩展速率的测试方法，其特征在于：步骤(4)中，使用柔度法测量裂纹长度时，需要实时修改弹性模量E，使数据处理计算出的裂纹长度与试样的实际裂纹长度相同，记录此时的弹性模量E；之后的测试过程中，弹性模量E固定，通过改变试验中的COD规测量的应变量V及试验载荷F，获得不同的裂纹长度a。