CN116337673A - 一种热机械疲劳裂纹扩展速率测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种热机械疲劳裂纹扩展速率测试方法，本发明利用DCPD方法对样品电势进行标定：首先标定裂纹长度a与电势U的对应关系曲线a～U，需标定多个裂纹长度；其次标定各裂纹长度在温度循环下电势U与时间t的对应关系曲线U～t；最后通过热机械疲劳(TMF)实验，得到裂纹扩展过程中电势U与时间t的实时对应关系曲线U～t，将时间t换算为循环数N，代入a～U得到a～N关系曲线。同时采用长焦显微镜目测法获取另一组a～N曲线。利用目测法所得裂纹扩展数据校对修正DCPD测量得到的a～N曲线数据，从而实现热机械疲劳裂纹扩展速率的准确高效测量。
Description
技术领域
本发明属于裂纹扩展测试领域，具体涉及一种热机疲劳裂纹扩展速率测试方法。
背景技术
随着近年来科技的不断进步，航空航天领域飞速发展，成为国家经济命脉的重要支撑力量。作为航空发动机最重要的核心热端部件之一，涡轮盘长期在高温、高压、高转速、交变负载等严酷环境的实际使役过程中经受巨大的离心载荷和热载荷。由于涡轮盘的不同部位存在热梯度，从而导致涡轮盘在承受机械疲劳载荷的同时，还承受由于热梯度引起的热循环应力应变，因此热循环载荷与机械循环载荷耦合作用引起的疲劳损伤失效是制约航空发动机涡轮盘服役寿命的关键因素。因此，针对涡轮盘用高温合金开展疲劳裂纹扩展性能测试十分必要，对高性能航空发动机涡轮盘的损伤容限设计和疲劳寿命预测具有重要意义。
目前针对等温疲劳裂纹扩展测试试验可采用目测法、裂纹张开位移法(COD)、四点直流电位降法(DCPD)、柔度法等方法测量裂纹扩展速率。但目前热机械疲劳裂纹扩展速率测试尚未形成标准的测量方法，在热机械疲劳测试条件下，由于实验装置的限制导致裂纹张开位移法和柔度法无法使用，实验过程温度的升降会引起热电势的变化，电位法也无法直接应用到热机械裂纹扩展测试中，目测法是目前可行的测量方法，但是存在较大的测量误差。
目测法通过长焦显微镜实时观测试验中试样表面裂纹长度，使用长焦显微镜时首先进行调焦，因为长焦显微镜视野较小，所以需要使用点光源辅助对焦。调整焦距将光斑聚于裂尖位置，关闭点光源，打开相机以及配套软件，由于光线漫散射导致材料表面对比度不高，因此外加一个光源增强裂纹观测效果，观察显示器进一步调整焦距直至图片呈现最清晰的状态。注意在裂纹观测过程中，长焦显微镜镜头需要与样片表面保持垂直，否则影响测量精度。
DCPD可用于任何导电材料的裂纹长度测量，其基本原理是稳定的电流通过试样，测量在裂纹扩展过程中裂纹面电势的变化。当裂纹长度增加时，由于试样表面上原有横截面面积的减少导致电阻的增加，电阻的改变引起穿越裂纹面测量点的电势变化，建立基准电压和基准裂纹长度的关系，通过检测电势的变化可以换算出裂纹长度。这种方法方便快捷，能够测量贯穿厚度方向的平均裂纹长度，但是在测量电势过程中存在明显的热电效应，且容易产生误差。常规的等温疲劳裂纹扩展测试可以测量电流反向时产生的反向电压来进行修正。但是热机械疲劳裂纹扩展试验中的温度循环无法通过以上方法消除热电势，因此本发明通过采用目测法与DCPD相结合的方法测量热机械疲劳裂纹扩展速率。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于四点直流电位降(DCPD)结合目测法的热机械疲劳裂纹扩展速率测试方法。综合利用两种方法解决金属基材料在热载荷与机械载荷耦合作用下的疲劳裂纹扩展问题，采用数值分析的方法优化裂纹扩展测试结果的准确度，提高了效率。
为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：
一种热机械疲劳裂纹扩展速率测试方法，包括以下步骤：
步骤S1：以裂纹扩展样品作为试样，使用四点直流电位降DCPD方法标定试样在不同裂纹长度和不同外界温度条件下的电势特征；
步骤S2：对试样进行热机械疲劳TMF实验，将步骤S1中获得的电势特征联系到TMF实验裂纹扩展的电势-时间关系中，获得基于DCPD方法的裂纹扩展速率关系；
步骤S3：利用长焦显微镜记录步骤S2中试样热机械疲劳TMF实验过程的裂纹数据，获得基于目测法的裂纹扩展速率关系；
步骤S4：在数据分析软件中，对步骤S2获得的基于DCPD方法的裂纹扩展速率关系曲线，筛选合适的循环节点数据，使用步骤S3中基于目测法的裂纹扩展速率关系曲线对其进行修正，得到修正后的基于DCPD方法的裂纹扩展速率关系曲线，从而得到准确的热机械疲劳裂纹扩展速率。
为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：
进一步的，定位试样中部为裂纹开裂处，将四个热电偶固定焊接在试样正反两面裂纹扩展方向的上下方，热电偶与控制器相连并用于监测及反馈试样表面温度，试样表面固定焊接DCPD导线，所述的DCPD导线与DCPD设备连接，所述的DCPD设备用于记录热机械疲劳TMF实验中试样不同裂纹长度和不同外界温度的电势标定数据，将试样装夹于感应加热线圈中心位置，所述的感应加热线圈与高频感应炉连接，所述的高频感应炉与控制器连接，控制器可控制高频感应炉的温度，试样加热中心位置还设置有冷却器，所述的冷却器与控制器连接，控制器控制冷却器对试样执行冷却，以此调控试样温度符合试验要求，将试样两端分别固定在热机械疲劳试验机的夹持端，控制器与热机械疲劳试验机连接并控制热机械疲劳试验机的机械载荷。
进一步的，所述的热电偶为K型热电偶，热电偶的焊接位置在试样正反两面裂纹扩展方向上下方约0.5mm处。
进一步的，所述的DCPD导线在试样的四个焊点位置为以试样裂纹为中心对称设置，分别距离裂纹为2mm和4mm。
进一步的，步骤S2中热机械疲劳TMF实验，使用DCPD方法分别记录试样1mm、3mm、5mm以及7mm的裂纹长度在300℃、400℃、500℃、600℃以及350～650℃温度循环下的电势，建立单一裂纹长度在不同温度下裂纹长度a与电势U的关系，得到单一裂纹长度在温度循环下的电势U及与之对应的时间t的关系，得到裂纹扩展过程中电势U与时间t的实时对应关系曲线
U单位为mv，t单位为s，将时间t换算为循环数N，t＝N*100，将循环数N代入电势标定得到U～0.35a+1.85，a单位为mm，得到a～N裂纹长度与循环数关系曲线，将电势U-时间t关系转换为受热机耦合影响的疲劳裂纹扩展速率关系，得到基于DCPD方法的裂纹扩展速率关系曲线。
进一步的，步骤S3中，所述的长焦显微镜的镜头垂直于试样表面位于试样上方，保持观测方向与试样的裂纹扩展方向垂直，进行步骤S2中热机械疲劳TMF实验时，通过长焦显微镜采用目测法，调整长焦显微镜焦距及比例尺，每隔一定循环数记录试样的裂纹长度，最终绘制出基于目测法的裂纹扩展速率关系曲线，
其中a为裂纹长度，N为循环周期。
进一步的，步骤S3中，所述的一定循环数为10。
进一步的，步骤S4中，从步骤S2中选取波峰、波谷及中值处节点的裂纹长度数据，波峰处为
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中值处为/>
在数据分析软件origin中，与步骤S3中的基于目测法的裂纹扩展速率关系曲线进行比较，当波峰、波谷及中值处节点中的某一节点的裂纹扩展速率曲线与目测法裂纹扩展速率关系曲线拟合度最高时，采取为修正后的基于DCPD方法的裂纹扩展速率关系曲线，即热机械疲劳裂纹扩展速率曲线。
与现有技术相比，本发明所具有的优点：
对于热机械疲劳裂纹扩展测量问题，由于实验过程中热载荷与机械载荷变化引起热电势同步变化导致DCPD无法直接应用到热机械疲劳裂纹扩展速率测试中，本发明通过DCPD结合目测法，利用目测法所得裂纹扩展数据校对修正DCPD测量得到的a～N曲线数据，综合DCPD测量裂纹扩展的精确性优势的同时解决了热机械疲劳测试过程中因电势波动而无法准确测量裂纹长度的问题，通过本方法可以得到较为准确的热机械疲劳裂纹扩展速率，同时提高了裂纹扩展测试效率，为热-力耦合环境下的裂纹扩展速率测量提供了便利。
附图说明
图1为本发明技术路线图；
图2为DCPD电位接入示意图；
图3为热机械疲劳裂纹扩展测试系统图，a为系统总体示意图，b为试样局部示意图；
图4为修正的热机疲劳裂纹扩展速率曲线结果图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。
本发明公开了一种基于四点直流电位降(DCPD)结合目测法的热机械疲劳裂纹扩展速率测试方法，如图1所示，首先，对试样进行基于DCPD方法的电势标定，标定裂纹长度a与电势U的关系a～U曲线U～0.35a+1.85，共标定四个裂纹长度1mm、3mm、5mm以及7mm；其次，标定单一裂纹长度在300℃、400℃、500℃、600℃以及350～650℃温度循环下的电势U与时间t的关系U～t曲线
共标定四个裂纹长度；最后，通过热机械疲劳(TMF)实验，以得到裂纹扩展过程的电势U与时间t实时对应关系曲线U～t，时间t换算成循环数N，t＝N*100，代入a～U得到a～N关系曲线(具体和选取的循环周期节点有关)。同时，目测法借助长焦显微镜获得另一组a～N曲线/>
最终基于目测法的裂纹扩展数据，通过DCPD测量数据修正得到准确的a～N曲线/>
其具体步骤如下：
步骤1：按图2所示位置焊接DCPD导线以及热电偶导线，试验前定位试样中部为裂纹开裂处，在试样表面画出热电偶连接位置，为了提高对中精度还需在试样表面画一条中线。按照提前画好的热电偶焊接位置在试样正反两面裂纹扩展方向上下方约0.5mm处共连接四个K型热电偶，热电偶导线与控制器连接用于监测及反馈试样表面温度。DCPD导线在试样的四个焊点位置为以试样裂纹为中心对称设置，分别距离裂纹为2mm和4mm。DCPD导线与DCPD设备相连接，用于对热机械疲劳TMF实验设置了不同裂纹长度、外界温度的各组试样进行电势标定。
步骤2：热电偶导线及DCPD导线焊接完成后，将试样装夹于感应加热线圈中心位置，感应加热线圈与高频感应炉连接，高频感应炉与控制器连接，控制器可控制高频感应炉的温度，试样加热中心位置处设置有冷却器，冷却器与控制器连接，通过控制器对试样执行冷却，以此调控试样温度符合试验要求，将试样两端分别固定在热机械疲劳试验机的夹持端，控制器与热机械疲劳试验机连接并控制热机械疲劳试验机的机械载荷。
目测法的长焦显微镜的镜头垂直于试样表面位于试样上方，长焦显微镜观测方向与裂纹扩展方向垂直以记录试样裂纹长度，如图3中b所示，进行完整的热机疲劳裂纹扩展测试。利用步骤1得到的标定结果将电势变化过程转化为裂纹扩展过程。
启动热机械疲劳TMF实验时，使用DCPD方法分别记录试样1mm、3mm、5mm以及7mm的裂纹长度在300℃、400℃、500℃、600℃以及350～650℃温度循环下的电势，建立单一裂纹长度在不同温度下裂纹长度a与电势U的关系，得到单一裂纹长度在温度循环下的电势U及与之对应的时间t的关系，得到裂纹扩展过程中电势U与时间t的实时对应关系曲线
将时间t换算为循环数N，t＝N*100，将循环数N代入电势标定得到的U～0.35a+1.85，得到a～N(裂纹长度与循环数)关系曲线，将电势U-时间t关系转换为受热机耦合影响的疲劳裂纹扩展速率关系，得到基于DCPD方法的裂纹扩展速率关系曲线。
步骤3：如图3中a该系统包括热机械疲劳实验系统、高频感应炉、冷却器、长焦显微镜、DCPD设备以及控制器。热机械疲劳试验机用于对试样夹持和施加循环载荷，控制器和冷却器对试样的温度载荷进行调节，控制器还控制对热机械疲劳试验机施加机械载荷，DCPD设备连接到测试试样采集电势数据，通过长焦显微镜采用目测法，调整长焦显微镜焦距及比例尺，每隔一定循环数记录试样的裂纹长度，最终绘制出基于目测法的裂纹扩展速率关系曲线，
其中a为裂纹长度，N为循环周期。
步骤4：为解决热机疲劳裂纹扩展测量过程中的电势波动，如图4所示：热机疲劳裂纹扩展实验过程采集的电势U随时间t变化的曲线及局部，“目测法观察值”曲线为步骤3所述得到的试样裂纹扩展目测结果，在数据分析过程中，选取步骤2中不同循环周期节点(波峰、波谷、中值处)的一系列裂纹长度数据，波峰处为
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与步骤3的目测裂纹扩展曲线进行比较，根据拟合程度筛选修正后的热机疲劳裂纹扩展曲线，如图4中“DCPD修正值”曲线，其中热机械疲劳循环周期中值处的裂纹扩展速率最接近目测数据，因此作为DCPD法测量裂纹扩展速率的修正，从而实现热机械疲劳裂纹扩展速率的准确高效测量。
以上为本申请的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (8)
1.一种热机械疲劳裂纹扩展速率测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：以裂纹扩展样品作为试样，使用四点直流电位降DCPD方法标定试样在不同裂纹长度和不同外界温度条件下的电势特征；
步骤S2：对试样进行热机械疲劳TMF实验，将步骤S1中获得的电势特征联系到TMF实验裂纹扩展的电势-时间关系中，获得基于DCPD方法的裂纹扩展速率关系；
步骤S3：利用长焦显微镜记录步骤S2中试样热机械疲劳TMF实验过程的裂纹数据，获得基于目测法的裂纹扩展速率关系；
步骤S4：在数据分析软件中，对步骤S2获得的基于DCPD方法的裂纹扩展速率关系曲线，筛选合适的循环节点数据，使用步骤S3中基于目测法的裂纹扩展速率关系曲线对其进行修正，得到修正后的基于DCPD方法的裂纹扩展速率关系曲线，从而得到准确的热机械疲劳裂纹扩展速率。
2.根据权利要求1所述的一种热机械疲劳裂纹扩展速率测试方法，其特征在于，所述的步骤S1中，定位所述的试样中部为裂纹开裂处，将四个热电偶固定焊接在试样正反两面裂纹扩展方向的上下方，所述的热电偶与控制器相连并用于监测及反馈试样表面温度，试样表面固定焊接DCPD导线，所述的DCPD导线与DCPD设备连接，所述的DCPD设备用于记录热机械疲劳TMF实验中试样不同裂纹长度和不同外界温度的电势标定数据，将试样装夹于感应加热线圈中心位置，所述的感应加热线圈与高频感应炉连接，所述的高频感应炉与控制器连接，控制器可控制高频感应炉的温度，试样加热中心位置还设置有冷却器，所述的冷却器与控制器连接，控制器控制冷却器对试样执行冷却，以此调控试样温度符合试验要求，将试样两端分别固定在热机械疲劳试验机的夹持端，控制器与热机械疲劳试验机连接并控制热机械疲劳试验机的机械载荷。
3.根据权利要求2所述的一种热机械疲劳裂纹扩展速率测试方法，其特征在于，所述的热电偶为K型热电偶，热电偶的焊接位置在试样正反两面裂纹扩展方向上下方约0.5mm处。
4.根据权利要求2所述的一种热机械疲劳裂纹扩展速率测试方法，其特征在于，所述的DCPD导线在试样的四个焊点位置为以试样裂纹为中心对称设置，分别距离裂纹为2mm和4mm。
5.根据权利要求1所述的一种热机械疲劳裂纹扩展速率测试方法，其特征在于，所述的步骤S2中热机械疲劳TMF实验，使用DCPD方法分别记录试样1mm、3mm、5mm以及7mm的裂纹长度在300℃、400℃、500℃、600℃以及350～650℃温度循环下的电势，建立单一裂纹长度在不同温度下裂纹长度a与电势U的关系，得到单一裂纹长度在温度循环下的电势U及与之对应的时间t的关系，得到裂纹扩展过程中电势U与时间t的实时对应关系曲线
U单位为mv，t单位为s，将时间t换算为循环数N，t＝N*100，将循环数N代入电势标定得到U～0.35a+1.85，a单位为mm，得到a～N裂纹长度与循环数关系曲线，将电势U-时间t关系转换为受热机耦合影响的疲劳裂纹扩展速率关系，得到基于DCPD方法的裂纹扩展速率关系曲线。
6.根据权利要求1所述的一种热机械疲劳裂纹扩展速率测试方法，其特征在于，所述的步骤S3中，所述的长焦显微镜的镜头垂直于试样表面位于试样上方，保持观测方向与试样的裂纹扩展方向垂直，进行步骤S2中热机械疲劳TMF实验时，通过长焦显微镜采用目测法，调整长焦显微镜焦距及比例尺，每隔一定循环数记录试样的裂纹长度，最终绘制出基于目测法的裂纹扩展速率关系曲线，
其中a为裂纹长度，N为循环周期。
7.根据权利要求6所述的一种热机械疲劳裂纹扩展速率测试方法，其特征在于，所述的步骤S3中，所述的一定循环数为10。
8.根据权利要求1所述的一种热机械疲劳裂纹扩展速率测试方法，其特征在于，所述的步骤S4中，从步骤S2中选取波峰、波谷及中值处节点的裂纹长度数据，波峰处为
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在数据分析软件origin中，与步骤S3中的基于目测法的裂纹扩展速率关系曲线进行比较，当波峰、波谷及中值处节点中的某一节点的裂纹扩展速率曲线与目测法裂纹扩展速率关系曲线拟合度最高时，采取为修正后的基于DCPD方法的裂纹扩展速率关系曲线，即热机械疲劳裂纹扩展速率曲线。
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| PB01 | Publication | ||
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