CN114878374A - 一种用于金属材料短裂纹及长裂纹扩展的表征方法 - Google Patents

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CN114878374A CN202210807104.8A CN202210807104A CN114878374A CN 114878374 A CN114878374 A CN 114878374A CN 202210807104 A CN202210807104 A CN 202210807104A CN 114878374 A CN114878374 A CN 114878374A
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Abstract

本发明公开了一种用于金属材料短裂纹及长裂纹扩展的表征方法，包括以下步骤：获取金属材料的缺口试样，在循环载荷下的裂纹尖端张开位移；获取缺口试样在单次循环内，通过单调拉伸引起的裂纹尖端张开位移量，以及缺口试样在远场最大应力下的单调拉伸裂纹尖端张开位移；基于Shyam原始模型，通过获取金属材料的屈服强度，根据裂纹尖端张开位移量和单调拉伸裂纹尖端张开位移，构建用于表征短裂纹及长裂纹扩展的
Figure 163647DEST_PATH_IMAGE001
模型，其中，
Figure 564673DEST_PATH_IMAGE002
模型用于表示短裂纹及长裂纹扩展的扩展速率；本发明通过裂纹尖端钝化模型以及位错理论分别计算了单调拉伸以及循环载荷的裂纹尖端张开位移以统一描述金属材料短‑长裂纹扩展速率，具有广阔应用前景和经济效益。

Description

一种用于金属材料短裂纹及长裂纹扩展的表征方法
技术领域
本发明涉及疲劳裂纹扩展速率的计算技术领域，尤其涉及一种用于金属材料短裂纹及长裂纹扩展的表征方法。
背景技术
随着我国对高端装备的需求量增加，断裂事故发生率随之增加。其中疲劳是引发结构件断裂的主要原因之一。因此提出了应力强度因子范围来描述裂纹扩展速率，即Paris公式。人们对传统的Paris方法高度重视，并将其应用于各种材料中，但随着研究的深入，该方法的局限性开始显露出来。例如，随着材料系统的变化，需要大量的金属疲劳裂纹扩展试验以确定C和m。同时，由于裂纹闭合效应及裂纹尖端塑性区的存在，使得Paris公式无法描述短裂纹扩展。这导致短裂纹跟宏观长裂纹扩展模型之间出现分段，采用相应的模型分别获得短、长裂纹的扩展速率以及寿命预测。此需要提出一种用于金属材料短裂纹及长裂纹扩展的表征方法，用于不同材料，适用于短裂纹以及宏观长裂纹扩展，以简单高效地评估金属材料疲劳性能。
发明内容
为了解决现有的技术问题，本发明的目的是提出一种用于金属材料短裂纹及长裂纹扩展的表征方法,通过裂纹尖端钝化模型计算裂纹尖端单调塑性区中损伤，后通过位错模型计算裂纹尖端循环塑性区中损伤，从而确定疲劳裂纹扩展速率模型，为不同金属材料的短-长裂纹扩展速率的计算提供重要理论依据及工业价值，具有重要意义。
为了实现上述技术目的，本发明提供了一种用于金属材料短裂纹及长裂纹扩展的表征方法，包括以下步骤：
获取金属材料的缺口试样，在循环载荷下的裂纹尖端张开位移；
获取缺口试样在单次循环内，通过单调拉伸引起的裂纹尖端张开位移量，以及缺口试样在远场最大应力下的单调拉伸裂纹尖端张开位移；
基于Shyam原始模型，通过获取金属材料的屈服强度，根据裂纹尖端张开位移量和单调拉伸裂纹尖端张开位移，构建用于表征短裂纹及长裂纹扩展的
Figure 605816DEST_PATH_IMAGE001
模型，其中，
Figure 54115DEST_PATH_IMAGE002
模型用于表示短裂纹及长裂纹扩展的扩展速率。
优选地，在获取缺口试样在循环载荷下的裂纹尖端张开位移的过程中，对不同金属材料的缺口试样，进行不同工况条件下的疲劳裂纹扩展实验；
通过BCS连续分布模型，获取裂纹尖端张开位移。
优选地，在获取裂纹尖端张开位移的过程中，裂纹尖端张开位移的表达式为：
Figure 99431DEST_PATH_IMAGE003
其中，
Figure 416012DEST_PATH_IMAGE004
表示循环载荷作用下的裂纹尖端张开位移，R表示应力比，
Figure 495964DEST_PATH_IMAGE005
表示泊松比，a表示裂纹长度，
Figure 724951DEST_PATH_IMAGE006
表示材料屈服强度，
Figure 523142DEST_PATH_IMAGE007
表示远场最大应力，E表示杨氏模量。
优选地，在获取裂纹尖端张开位移量的过程中，根据Zheng-Hirt裂纹尖端钝化模型，获取裂纹尖端张开位移量，其中，获取裂纹尖端张开位移量的表达式为：
Figure 377835DEST_PATH_IMAGE008
式中，da/dN为裂纹扩展速率，
Figure 577872DEST_PATH_IMAGE009
为I形裂纹的应力强度因子，
Figure 977760DEST_PATH_IMAGE010
表示张开应力，等于材料临界断裂应力。
优选地，在根据Zheng-Hirt裂纹尖端钝化模型获取裂纹尖端张开位移量的过程中，将钝化的裂纹尖端视为微缺口，根据金属缺口开裂准则，获取材料临界断裂应力，其中，材料临界断裂应力的表达式为：
Figure 263248DEST_PATH_IMAGE011
式中，Kt为理论应力集中系数，
Figure 656052DEST_PATH_IMAGE012
和
Figure 445017DEST_PATH_IMAGE013
分别是与材料断面收缩率有关的断裂真应力和断裂延性，
Figure 281386DEST_PATH_IMAGE014
表示材料临界断裂应力。
优选地，在获取单调拉伸裂纹尖端张开位移的过程中，基于断裂力学理论，根据材料临界断裂应力、裂纹尖端张开位移量，获取单调拉伸裂纹尖端张开位移，其中，单调拉伸裂纹尖端张开位移的表达式为：
Figure 54170DEST_PATH_IMAGE015
其中，
Figure 985085DEST_PATH_IMAGE016
表示单调拉伸裂纹尖端位移，
Figure 159715DEST_PATH_IMAGE017
表示远场最大应力。
优选地，在获取单调拉伸裂纹尖端张开位移的过程后，基于静态韧度耗散以及裂纹尖端应变能量释放对金属材料疲劳损伤影响，对单调拉伸裂纹尖端张开位移进行如下修正：
Figure 901406DEST_PATH_IMAGE018
其中，Tm为考虑材料静态韧度耗散以及裂纹尖端应变能量的单调拉伸引起的裂纹尖端张开位移，UT为静态韧度。
优选地，在构建用于表征短裂纹及长裂纹扩展的
Figure 161486DEST_PATH_IMAGE019
模型的过程中，基于Shyam原始模型，通过获取金属材料的屈服强度，根据裂纹尖端张开位移量和修正后的单调拉伸裂纹尖端张开位移，构建
Figure 919530DEST_PATH_IMAGE019
模型。
优选地，在构建
Figure 948666DEST_PATH_IMAGE019
模型的过程中，
Figure 126838DEST_PATH_IMAGE019
模型的表达式为：
Figure 608635DEST_PATH_IMAGE020
其中，k和m2表示拟合参数。
优选地，用于实现表征方法的表征系统，包括：
第一数据处理模块，用于获取金属材料的缺口试样，在循环载荷下的裂纹尖端张开位移；
第二数据处理模块，用于获取缺口试样在单次循环内，通过单调拉伸引起的裂纹尖端张开位移量，以及缺口试样在远场最大应力下的单调拉伸裂纹尖端张开位移；
扩展速率表征模块，用于基于Shyam原始模型，通过获取金属材料的屈服强度，根据裂纹尖端张开位移量和单调拉伸裂纹尖端张开位移，构建用于表征短裂纹及长裂纹扩展的
Figure 146932DEST_PATH_IMAGE021
模型，其中，
Figure 764995DEST_PATH_IMAGE019
模型用于表示短裂纹及长裂纹扩展的扩展速率。
本发明公开了以下技术效果：
本发明通过裂纹尖端钝化模型以及位错理论分别计算了单调拉伸以及循环载荷的裂纹尖端张开位移以统一描述金属材料短-长裂纹扩展速率，整个测试过程精度高、效率高，应用范围广，具有广阔应用前景和经济效益，为工程材料性能评估提供重要理论依据及实践基础。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例所述的
Figure 379647DEST_PATH_IMAGE019
模型描述不同材料的裂纹扩展速率图；
图2为本发明实施例所述的
Figure 83161DEST_PATH_IMAGE022
模型描述不同材料的裂纹扩展速率图；
图3为本发明实施例所述的Shyam模型描述不同材料的裂纹扩展速率图；
图4为本发明所述的表征方法的流程示意图。
具体实施方式
下为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
如图1-4所示，本发明提供了一种用于金属材料短裂纹及长裂纹扩展的表征方法，该方法可以包括以下步骤：
步骤1，对EH36焊接接头中母材，热影响区以及焊缝区，316奥氏体不锈钢，6063-T6铝合金以及TC4钛合金的多个缺口试样进行疲劳裂纹扩展实验，通过BCS连续分布模型计算循环载荷引起的裂纹尖端张开位移
Figure 34937DEST_PATH_IMAGE023
：
Figure 163299DEST_PATH_IMAGE024
(1)
其中，
Figure 807907DEST_PATH_IMAGE023
为循环载荷引起的裂纹尖端张开位移，R为应力比，v是泊松比，a为裂纹长度，
Figure 139662DEST_PATH_IMAGE025
为材料屈服强度，E表示杨氏模量，
Figure 895128DEST_PATH_IMAGE026
表示远场最大应力；
步骤2，根据Zheng-Hirt裂纹尖端钝化模型，计算单次循环内单调拉伸引起的裂纹尖端张开位移量x：
Figure 612417DEST_PATH_IMAGE027
(2)
其中，da/dN为裂纹扩展速率，
Figure 427927DEST_PATH_IMAGE028
为I形裂纹的应力强度因子，
Figure 246978DEST_PATH_IMAGE029
表示张开应力，等于材料临界断裂应力
Figure 806135DEST_PATH_IMAGE030
；
若将钝化的裂纹尖端视为微缺口，可根据金属缺口开裂准则获得公式(3)：
Figure 643510DEST_PATH_IMAGE031
(3)
其中，Kt为理论应力集中系数，E为杨氏模量，
Figure 364342DEST_PATH_IMAGE032
和
Figure 670689DEST_PATH_IMAGE033
分别是与材料断面收缩率有关的断裂真应力和断裂延性，
Figure 502379DEST_PATH_IMAGE034
材料临界断裂应力，
Figure 459840DEST_PATH_IMAGE035
为远场最大应力；
步骤3，根据公式(2)，(3)以及断裂力学理论，可获得在远场最大应力引起的单调拉伸裂纹尖端张开位移
Figure 351572DEST_PATH_IMAGE036
：
Figure 145216DEST_PATH_IMAGE037
(4)
其中，
Figure 46176DEST_PATH_IMAGE036
是单调拉伸裂纹尖端位移，主要由远场最大应力决定；
步骤4，考虑静态韧度耗散以及裂纹尖端应变能量释放对金属材料疲劳损伤影响，对
Figure 592564DEST_PATH_IMAGE036
进行如下修正：
Figure 920777DEST_PATH_IMAGE038
(5)
其中，
Figure 936137DEST_PATH_IMAGE039
为考虑材料静态韧度耗散以及裂纹尖端应变能量的单调拉伸引起的裂纹尖端张开位移，
Figure 640788DEST_PATH_IMAGE040
为静态韧度；
步骤5，根据Shyam原始模型，通过材料屈服强度与单调载荷以及循环载荷所引起的裂纹尖端张开位移之积计算金属材料短裂纹扩展速率表达式：
Figure 307262DEST_PATH_IMAGE041
(6)
其中，u和m1为拟合参数，
Figure 806376DEST_PATH_IMAGE042
为BCS模型计算的单调载荷引起的裂纹尖端张开位移：
Figure 309033DEST_PATH_IMAGE043
(7)
最后，对Shyam原始模型中
Figure 286216DEST_PATH_IMAGE044
修正为
Figure 682562DEST_PATH_IMAGE045
，获得统一描述金属材料短裂纹及长裂纹扩展速率的表达式：
Figure 477212DEST_PATH_IMAGE046
(8)
其中，k和m2为拟合参数。
可以看出，通过
Figure 591798DEST_PATH_IMAGE047
可以用一条直接表示不同金属材料，不同工况条件下短裂纹和长裂纹的扩展行为，大部分数据位于3误差带内，短裂纹SC和长裂纹LC有着相同的斜率，如图1所示；传统的有效应力强度因子
Figure 248039DEST_PATH_IMAGE048
只能通过多条拟合线描述多个材料的短裂纹行为，不具有金属材料普适性，如图2所示；图3表明Shyam模型只能单独描述短裂纹，不能将短裂纹与长裂纹同一描述，具有一定的局限性，并且预测精度与普适性均比
Figure 764471DEST_PATH_IMAGE047
差。
本发明通过裂纹尖端钝化模型以及位错理论分别计算了单调拉伸以及循环载荷的裂纹尖端张开位移以统一描述金属材料短-长裂纹扩展速率，整个测试过程精度高、效率高，应用范围广，具有广阔应用前景和经济效益，为工程材料性能评估提供重要理论依据及实践基础。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、 “示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

Claims (9)

1.一种用于金属材料短裂纹及长裂纹扩展的表征方法，其特征在于，包括以下步骤：
获取金属材料的缺口试样，在循环载荷下的裂纹尖端张开位移，其中，所述金属材料包括316奥氏体不锈钢、6063-T6铝合金以及TC4钛合金中的一种；
获取所述缺口试样在单次循环内，通过单调拉伸引起的裂纹尖端张开位移量，以及所述缺口试样在远场最大应力下的单调拉伸裂纹尖端张开位移；
基于Shyam原始模型，通过获取所述金属材料的屈服强度，根据所述裂纹尖端张开位移量和所述单调拉伸裂纹尖端张开位移，构建用于表征短裂纹及长裂纹扩展的
Figure 290721DEST_PATH_IMAGE001
模型，其中，所述
Figure 767970DEST_PATH_IMAGE001
模型用于表示短裂纹及长裂纹扩展的扩展速率；
所述
Figure 742748DEST_PATH_IMAGE001
模型表示为：
Figure 113687DEST_PATH_IMAGE002
其中，da/dN为裂纹扩展速率，
Figure 266450DEST_PATH_IMAGE003
表示循环载荷作用下的裂纹尖端张开位移，Tm为考虑材料静态韧度耗散以及裂纹尖端应变能量的单调拉伸引起的裂纹尖端张开位移；k和m2表示拟合参数。
2.根据权利要求1所述一种用于金属材料短裂纹及长裂纹扩展的表征方法，其特征在于：
在获取缺口试样在循环载荷下的裂纹尖端张开位移的过程中，对不同所述金属材料的所述缺口试样，进行不同工况条件下的疲劳裂纹扩展实验；
通过BCS连续分布模型，获取所述裂纹尖端张开位移。
3.根据权利要求2所述一种用于金属材料短裂纹及长裂纹扩展的表征方法，其特征在于：
在获取所述裂纹尖端张开位移的过程中，所述裂纹尖端张开位移的表达式为：
Figure 90050DEST_PATH_IMAGE004
其中，R表示应力比，
Figure 868519DEST_PATH_IMAGE005
表示泊松比，a表示裂纹长度，
Figure 969330DEST_PATH_IMAGE006
表示材料屈服强度，
Figure 152050DEST_PATH_IMAGE007
表示远场最大应力，E表示杨氏模量。
4.根据权利要求3所述一种用于金属材料短裂纹及长裂纹扩展的表征方法，其特征在于：
在获取裂纹尖端张开位移量的过程中，根据Zheng-Hirt裂纹尖端钝化模型，获取裂纹尖端张开位移量，其中，获取裂纹尖端张开位移量的表达式为：
Figure 853158DEST_PATH_IMAGE008
式中，
Figure 45105DEST_PATH_IMAGE009
为I形裂纹的应力强度因子，
Figure 266002DEST_PATH_IMAGE010
表示张开应力，等于材料临界断裂应力。
5.根据权利要求4所述一种用于金属材料短裂纹及长裂纹扩展的表征方法，其特征在于：
在根据Zheng-Hirt裂纹尖端钝化模型获取裂纹尖端张开位移量的过程中，将钝化的裂纹尖端视为微缺口，根据金属缺口开裂准则，获取所述材料临界断裂应力，其中，所述材料临界断裂应力的表达式为：
Figure 9836DEST_PATH_IMAGE011
式中，Kt为理论应力集中系数，
Figure 73607DEST_PATH_IMAGE012
和
Figure 679032DEST_PATH_IMAGE013
分别是与材料断面收缩率有关的断裂真应力和断裂延性，
Figure 613490DEST_PATH_IMAGE014
表示材料临界断裂应力。
6.根据权利要求5所述一种用于金属材料短裂纹及长裂纹扩展的表征方法，其特征在于：
在获取单调拉伸裂纹尖端张开位移的过程中，基于断裂力学理论，根据所述材料临界断裂应力、所述裂纹尖端张开位移量，获取所述单调拉伸裂纹尖端张开位移，其中，所述单调拉伸裂纹尖端张开位移的表达式为：
Figure 528225DEST_PATH_IMAGE015
其中，
Figure 813713DEST_PATH_IMAGE016
表示单调拉伸裂纹尖端位移，
Figure 957249DEST_PATH_IMAGE017
表示远场最大应力。
7.根据权利要求6所述一种用于金属材料短裂纹及长裂纹扩展的表征方法，其特征在于：
在获取单调拉伸裂纹尖端张开位移的过程后，基于静态韧度耗散以及裂纹尖端应变能量释放对金属材料疲劳损伤影响，对所述单调拉伸裂纹尖端张开位移进行如下修正：
Figure 11793DEST_PATH_IMAGE018
其中，UT为静态韧度。
8.根据权利要求7所述一种用于金属材料短裂纹及长裂纹扩展的表征方法，其特征在于：
在构建用于表征短裂纹及长裂纹扩展的
Figure 97430DEST_PATH_IMAGE019
模型的过程中，基于所述Shyam原始模型，通过获取所述金属材料的所述屈服强度，根据所述裂纹尖端张开位移量和修正后的所述单调拉伸裂纹尖端张开位移，构建所述
Figure 604634DEST_PATH_IMAGE019
模型。
9.根据权利要求8所述一种用于金属材料短裂纹及长裂纹扩展的表征方法，其特征在于：
用于实现所述表征方法的表征系统，包括：
第一数据处理模块，用于获取金属材料的缺口试样，在循环载荷下的裂纹尖端张开位移；
第二数据处理模块，用于获取所述缺口试样在单次循环内，通过单调拉伸引起的裂纹尖端张开位移量，以及所述缺口试样在远场最大应力下的单调拉伸裂纹尖端张开位移；
扩展速率表征模块，用于基于Shyam原始模型，通过获取所述金属材料的屈服强度，根据所述裂纹尖端张开位移量和所述单调拉伸裂纹尖端张开位移，构建用于表征短裂纹及长裂纹扩展的
Figure 817441DEST_PATH_IMAGE019
模型，其中，所述
Figure 116704DEST_PATH_IMAGE019
模型用于表示短裂纹及长裂纹扩展的扩展速率。
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