CN116879073A - Cfrp加固三维表面裂纹疲劳扩展规律的测试方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及三维表面裂纹疲劳扩展规律的测试方法，具体涉及一种CFRP加固三维表面裂纹疲劳扩展规律的测试方法。以Q235为钢板基底，在钢板表面通过铣床或微电火花加工出预制表面裂纹，进而在疲劳试验机的拉‑拉荷载下观察表面裂纹的扩展速率以及规律。本发明含试件设计，通过设计方法防止试件在插销孔处以及倒角处破坏，保证试件在实验中仅在表面裂纹区域发生破坏，确保实验达到预期效果；针对试件的实验加载测试方法，利用多种测试方法相结合对CFRP的滑移和表面裂纹的扩展进行测量表征。本发明不仅基于宏观裂纹扩展以及断裂形式，还对钢板内部的微观断裂模式及裂纹源区进行了相关观测分析，更好地揭示了钢板疲劳裂纹扩展的机理问题。

Description

CFRP加固三维表面裂纹疲劳扩展规律的测试方法
技术领域
本发明涉及三维表面裂纹疲劳扩展规律的测试方法，具体涉及一种CFRP加固三维表面裂纹疲劳扩展规律的测试方法。
背景技术
钢结构被广泛应用于土木与建筑领域中，表面裂纹是钢结构中的常见缺陷，表面裂纹会在环境和疲劳的作用下发生扩展，引起钢结构的断裂破坏，造成不必要的损失或事故，研究表明90％的钢结构破坏是疲劳破坏。无论是桥梁结构还是管道输送以及航空航天结构中，表面裂纹均是最常出现的缺陷问题，大部分的工程结构失效破坏的起因是由于结构表面产生了表面裂纹逐渐扩展导致结构失效破坏，表面裂纹严重危害了工程结构的安全和使用寿命。所以针对不同材料，研究其表面裂纹的扩展规律是评估其结构疲劳性能的前提。CFRP加固技术作为一种新型的技术，具有高强高效适应性好等特点，可以有效减少该类安全隐患的发生。
由于疲劳试验与静载实验的测试方法不同，加载方式也不同，会造成在两种加载方式之下试件的破坏形式不同，所以对疲劳试验的试件设计是保证实验结果准确的重要一步，针对不同加载方式试件设计是不同的。目前在断裂力学领域，大部分的实验研究都集中于贯穿性裂纹的研究，不论是疲劳寿命、裂纹扩展速率、驱动力模型还是应力强度因子计算都少有开展对于三维表面裂纹的实验研究，对于贯穿性裂纹的试件制备方法以及裂纹参数测量的技术不适于表面裂纹试件，所以需要一套新的适于表面裂纹的实验测试方法。
常用的裂纹监测方法是CTOD法以及应变片法，但是对于CFRP加固后的结构，裂纹被CFRP覆盖，这两种直接接触式的测量方法无法获得裂纹表面的参数，无法测量裂纹尖端的位移场和裂纹扩展长度，需要使用非接触式或间接测量方法来测量裂纹的扩展，如使用三维位移形变DIC系统来测量试件的三维变形情况，进而反映裂纹在长度和深度方向的变形和扩展情况；利用海滩标记法在材料断面上留下标记循环数下对应的纹路，以便实验结束后进行测量观察。
由于CFRP粘结加固的快捷高效成为工程界很受欢迎的一种加固方法，然而加固的效果主要由最薄弱的粘结层来决定，在粘贴CFRP过程中需要静置3-7天以保证粘结效果。有效粘结长度由粘结层剪应力公式来计算确定，常用的粘结层模型可采用实体模型，弹簧模型和内聚力模型。其中粘结层的剪切模量由实验测得，泊松比根据粘结胶参数获得。
未加固的表面裂纹应力强度因子已经由Newman-Raju经过大量数值计算拟合了计算公式，但是CFRP加固后裂纹尖端应力强度因子会降低，并且没有指导公式可以用以计算。此外，现有机械式插销夹头的疲劳试验机实验试件形状选择，设计加工标准目前也是空白，无法保证试件在实验过程中只在表面裂纹区域发生破坏，因此传统实验方法无法确保实验达到预期效果。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供一种CFRP加固三维表面裂纹疲劳扩展规律的测试方法，解决了机械式插销夹头的疲劳试验机实验试件形状选择设计困难的问题，所设计的试件避免了在插销孔处以及厚度变化处以及倒角处先发生破坏，从而保证实验过程中中心裂纹处处于最薄弱的区域，能够观察到裂纹扩展。
本发明的技术方案：一种CFRP加固三维表面裂纹疲劳扩展规律的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
A、加工改进后的“哑铃型”拉伸MT试件，以Q235、Q345或X80高强钢为钢板基底材料，在钢板表面通过铣床或微电火花加工出预制表面裂纹，进而在疲劳试验机的拉-拉荷载下观察表面裂纹的扩展速率以及扩展规律。该形状设计填补了已有规范关于表面裂纹试件设计加工标准的空白。具体包括插销孔尺寸，插销端厚度，受拉段厚度，过渡区倒角，表面裂纹形状，裂纹尺寸。通过所述设计方法可以防止试件在插销孔处以及倒角处破坏，保证试件在实验过程中在表面裂纹区域发生破坏，确保实验达到预期效果。
B、在步骤A的基础上将预制表面裂纹加工为半椭圆形或者菱形；
C、使用海滩标记法来测量裂纹扩展长度，深度,在整个加载过程中大约标记6～8次，主要根据试件寿命及尺寸决定,根据试件裂纹尺寸和寿命选取40000或20000次循环进行一次标记；
D、使用DIC技术观测CFRP加固后的表面裂纹扩展方向以及路径，三维DIC架设在试件两侧以获得两个方向的变形；DIC系统的拍照与加载循环的标记阶段相对应，每个阶段拍摄20组图(加载频率10Hz)，在分析阶段取每个拍摄阶段中的最大应变作为循环中最大疲劳荷载对应的裂纹扩展峰值，也对应于最大应力强度因子。
E、根据步骤C中所留下的海滩标记，整理裂纹扩展观测数据并且根据有限元计算应力强度因子结果计算裂纹扩展速率，其中对所标记纹路使用游标卡尺和放大镜进行长度测量，对于未加固试件采用正面以及背面的长度平均值作为裂纹长度，对于加固后的试件其加固面和未加固面各自采用测量的海滩纹路长度；并建立裂纹扩展驱动力模型；
F、对步骤E中的驱动力模型(Driving model)采用双自由度模型，该模型可以更加准确地描述表面裂纹在长度以及深度两个方向的扩展速率，相较单自由度模型更加准确，双自由度模型具体可表示为公式(8)～(9)：
裂纹长度方向扩展速率可通过(8)式表示：
裂纹深度方向扩展速率可通过(9)式表示：
驱动力模型中的有效应力强度因子幅值通过公式(10)进行计算，有效应力强度因子由最大应力强度因子和应力强度因子门槛值的差值表示：
ΔKeff＝Kmax-Kop#(10)
公式(10)中加固后的Kmax没有解析公式可以适用，需要通过有限元进行求解，或者使用修正后的应力强度因子公式，(11)式，进行计算：
上式中的基础项为未加固的半椭圆形表面裂纹应力强度因子，修正项函数f为CFRP加固后的应力强度因子衰减修正项，经过大量有限元计算修正项的取值在0.8～0.4之间。
此时裂纹驱动力模型可以表示为(12)式：
对实验结束后破坏的试件断面进行SEM扫描电子显微镜进行微观形貌的观察，由于扫描电镜对断口试件的大小有限制，需要在观测前利用中速线切割机对断口进行切割，将其断口试件尺寸控制在10×20mm之内后在试件表面进行喷金处理，再进行SEM断口扫描。
SEM断口扫描有助于提供断口的微观形貌，寻找裂纹扩展源区，微裂纹扩展纹路，材料初始氧化区域，以及试件的断裂模式等微观机理。
本发明设计的试件可以防止其在插销孔处以及倒角处破坏，保证试件在实验过程中在表面裂纹区域发生破坏，确保实验达到预期效果。相较于传统的疲劳加载模式，本发明采用了海滩疲劳标记法对材料内部的疲劳裂纹扩展进行纹路标记，可以在试验结束后对裂纹呢扩展速率进行观察和测量。本发明不仅基于宏观裂纹扩展以及断裂形式，还对钢板内部的微观断裂模式及裂纹源区进行了相关观测分析，更好地揭示了钢板疲劳裂纹扩展的机理问题。具有以下有益效果：
1、本发明CFRP加固三维表面裂纹疲劳扩展规律实验测试方法有效的解决了现有机械式插销夹头的疲劳试验机实验试件形状选择设计困难的问题，提供的“哑铃型“试件可以根据试验机插销尺寸来设计试件尺寸，试件尺寸小，方便进行设计加工以及实验。在设计方法指导下可以很好地保证实验过程中试件在指定部位发生破坏，不会出现破坏位置不理想造成实验失败的情况。本发明中的裂纹表面加工形状可以提高裂纹尖端的应力集中系数，相较原本的半圆形表面初始裂纹可以更快地达到裂纹萌生阶段，使裂纹扩展过程更加明显，方便后续对裂纹的观察和测量。
2、本发明在预实验阶段主要通过逐级增加荷载方法确定裂纹扩展门槛值，先选取0.4倍试件屈服荷载为基准，逐次提升10％的最大荷载，直至在50000-100000次循环时出现裂纹扩展或者试件出现明显的轴向塑性变形，将此荷载定为疲劳裂纹扩展门槛值荷载，在后续求解有效应力强度因子幅值时带入此荷载进行计算作为应力强度因子门槛值。
3、疲劳试验过程中采用了“海滩标记法”对疲劳裂纹扩展过程中不同循环数下对应的扩展纹路留下标记，并且实验位移结果对比来看该方法不会造成裂纹闭合现象，也不会额外增加裂纹扩展速率，有助于后续对裂纹参数进行测量以及对裂纹扩展速率进行计算。该方法可以测量加固前后裂纹扩展速率，也可以测量长度及深度方向的扩展速率。并且辅助以DIC系统观测裂纹的扩展规律以及初始裂纹扩展方向，使裂纹扩展监测结果更加准确具体。
4、由于裂纹扩展源区的扩展规律是较为复杂的，SEM微观断口扫描也为表面裂纹源区的裂纹扩展方向，扩展起源，裂纹源区的晶体断裂形式，断裂机理提供了微观图像支持，可以帮助更好地理解表面裂纹源区的裂纹扩展机理和规律，并且可以观测裂纹源区微裂纹的扩展速率，解释裂纹的萌生现象。
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，下面将对实施例或现有技术描述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为改进后的“哑铃型”MT试件的结构示意图；
图2为三维表面裂纹的实验测试方法的流程示意图；
图3为表面裂纹形状加工示意图；
图4为CFRP-裂纹钢板粘结层剪应力示意图；
图5为海滩裂纹标记法荷载谱示意图；
图6为扩展速率散点图；
图7为SEM断口微裂纹扩展示意图；
图8为微观晶格断裂模式示意图。
具体实施方式
实施例
如图1至图8所示，该CFRP加固三维表面裂纹疲劳扩展规律的测试方法，本实施例为测试CFRP加固三维表面裂纹疲劳扩展规律，方法用于测量复合材料三维表面裂纹扩展规律，所述方法使用的试件为MT试件，不同尺寸的试件对本方法均通用，其中试件形状如图1所示。
该测试方法具体执行过程如下：
A、按图一所示制备“哑铃型”MT拉伸试件并测量记录试件尺寸。
B、先通过准静态加载确定试件的屈服荷载以及极限破坏荷载，观察并记录试件的破坏形式及位置。
C、根据静载数据初步估算试件疲劳荷载取值，并且利用逐级加载方式寻找疲劳裂纹扩展门槛值荷载，后将该荷载用来计算疲劳裂纹扩展门槛值应力强度因子。
D、记录预裂裂纹尺寸数据，包括初始预制裂纹以及预裂疲劳裂纹尺寸。如图6所示。
E、正式实验中利用海滩标记法，每40000或20000次循环进行一次标记，记录标记循环数以及轴向位移，如图5所示。
F、在标记荷载循环期间进行DIC拍摄，疲劳荷载加载频率设置为10Hz，DIC拍摄帧频为每秒采集20张图像，以此可以采集到荷载峰值对应的裂纹图像。
由于裂纹扩展到后期快速扩展阶段裂纹扩展速度与稳定扩展阶段由数个量级的差距，当发现裂纹扩展至试件边缘，或者试件轴向位移发生快速的上升时准备结束加载程序并做好试件断口的保护工作。
对断口进行标记纹路读数时挑选断面上最清晰的6～8条纹路进行测量读数，记录数据取多次读数的平均值。
裂纹扩展驱动力模型中的驱动力因素为应力强度因子，加固后的三维表面应力强度因子通过有限元或者拟合后的计算公式进行计算
上式中的F半椭圆形形状函数可以参考Newman-Raju公式，加固后的衰减因子f介于0.4～0.8，与裂纹尺寸以及加固CFRP参数有关。
在实验过程中，标记荷载不会造成裂纹尖端的闭合现象，所以整个加载过程可以用Paris公式来对裂纹扩展速率进行描述，每次循环对应的裂纹扩展量为
对应于每个阶段的裂纹扩展长度，在常数坐标系以及对数坐标系下绘制裂纹扩展量与有效应力强度因子幅值ΔKeff的函数图像，分别对长度以及深度方向进行分析，拟合驱动力模型中
的扩展参数C,m。
对断口进行中速线切割，将扫面试件尺寸控制在10×20mm之内，进行表面喷金增加导电性后进行SEM扫描电镜分析。
如图7所示，扫描过程中先用低倍200倍进行整体断面观察，在局部有清晰裂纹扩展纹路区域进行高倍观察，放大倍数介于2000～16000倍之间，分析微观裂纹的扩展规律以及扩展速率。
如图8所示，在晶格清晰处使用高倍放大倍数进行观察约8000～20000倍，观察晶格的断裂模式进而推断断口的断裂模式。
结合微观的裂纹源断裂分析，以及宏观的疲劳裂纹扩展分析，对试件进行完整的断裂规律研究。
该测试方法满足ASTM E647-15e1疲劳裂纹扩展速率测试要求，实验加载方法满足GB/T 4164-2007金属材料平面应变断裂韧度KⅠC试验方法。
该测试方法以CFRP加固后表面裂纹扩展速率为基础，能够对被覆盖的表面裂纹扩展进行多种方法的测量，提高测试精度，丰富了测试方法。
本发明设计的试件可以防止其在插销孔处以及倒角处破坏，保证试件在实验过程中在表面裂纹区域发生破坏，确保实验达到预期效果。相较于传统的疲劳加载模式，本发明采用了海滩疲劳标记法对材料内部的疲劳裂纹扩展进行纹路标记，可以在试验结束后对裂纹呢扩展速率进行观察和测量。本发明不仅基于宏观裂纹扩展以及断裂形式，还对钢板内部的微观断裂模式及裂纹源区进行了相关观测分析，更好地揭示了钢板疲劳裂纹扩展的机理问题。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种CFRP加固三维表面裂纹疲劳扩展规律的测试方法，其特征在于，采用插销加载的疲劳表面裂纹扩展试件形状设计方法，整体试件为“哑铃型”,并以Q235、Q345或X80高强钢为钢板基底材料，在钢板表面通过铣床或微电火花加工出预制表面裂纹，进而在疲劳试验机的拉-拉荷载下通过特定疲劳荷载加载方式观察表面裂纹的扩展速率以及扩展规律，包括以下步骤：
A、制作“哑铃型”中心裂纹拉伸MT试件，并测量实际尺寸；
B、静载下测试试件材料的屈服强度，极限强度以及破坏模式和失效位移；
C、进行疲劳裂纹预裂加载，通过逐级增加疲劳拉伸荷载最终确定裂纹扩展所需荷载作为预裂荷载，每次增加10％最大荷载；
D、根据公式计算CFRP有效粘结长度，在钢板表面粘贴有效长度CFRP；
E、在疲劳加载过程中采用“海滩裂纹标记法”对裂纹扩展进行标记，使用固定循环数标记法，针对不同裂纹尺寸试件，每40000或20000次循环标记一次，且标记循环数为加载循环数一半；同时辅助使用DIC数字图像技术对CFRP覆盖的裂纹进行应变场的监测；
F、对断口海滩裂纹进行测量，测量每一级标记荷载下裂纹的长度和深度，代入改进驱动力模型分析其疲劳裂纹扩展速率；对断口用扫描电子显微镜SEM进行断口扫描，分析其微观断裂形式、断裂机理。
2.根据权利要求1所述的CFRP加固三维表面裂纹疲劳扩展规律的测试方法，其特征在于：在步骤D中当粘结长度增加至一定时，粘结层剪应力不再增加，粘结层剪应力及CFRP应变分布计算公式如(1)～(4)所示：
式中Es表示钢板弹性模量，Ef表示CFRP弹性模量，Ga表示胶层剪切模量，ts表示钢板厚度，tf表示CFRP厚度，ta表示胶层厚度，F表示加载端拉力，L表示粘结长度。
3.根据权利要求1所述的CFRP加固三维表面裂纹疲劳扩展规律的测试方法，其特征在于：裂纹的萌生及扩展由应力强度因子KⅠ控制，对于三维半椭圆形表面裂纹其应力强度因子用Newman-Raju公式表示为：
式中Q为半椭圆形状参数，F为裂纹形状拟合函数。
4.根据权利要求1所述的CFRP加固三维表面裂纹疲劳扩展规律的测试方法，其特征在于：所述步骤E中，在疲劳加载过程中采用“海滩标记法”，选用0.5倍最大荷载。
5.根据权利要求1所述的CFRP加固三维表面裂纹疲劳扩展规律的测试方法，其特征在于：所述步骤F中,记录扩展纹路测量其长度、深度后用来表示疲劳裂纹扩展速率，描述模型为改进后的裂纹驱动力模型，表示为公式(7)：
式中ΔKeff＝Kmax-Kop,其中Kmax表示疲劳裂纹扩张过程中最大荷载对应的应力强度因子，Kop表示裂纹扩展门槛值对应的应力强度因子。
6.根据权利要求1所述的CFRP加固三维表面裂纹疲劳扩展规律的测试方法，其特征在于：所述步骤F中,还包括对断口进行微观分析时，使用扫描电子显微镜SEM，观测裂纹源区、微裂纹扩展方向、晶格断裂模式，断裂机理等微观断裂特性。
7.根据权利要求1所述的CFRP加固三维表面裂纹疲劳扩展规律的测试方法，其特征在于：所述步骤A中,测量尺寸包括插销孔尺寸、插销端厚度、受拉段厚度、过渡区倒角、表面裂纹形状和裂纹尺寸，以及进而在疲劳试验机的拉-拉荷载下通过特定疲劳荷载加载方式观察表面裂纹的扩展速率以及扩展规律。
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