專利名稱：一種軸向加載低周疲勞裂紋萌生的試驗測量方法
技術領域：
本發明涉及一種疲勞性能測試技術，特別是一種軸向加載低周疲勞裂紋萌生的試驗測量方法。
背景技術：
金屬材料的疲勞裂紋擴展速率與門檻值及斷裂韌度等指標的試驗方法均已有國家標準(GB/T 6398-2000 “金屬材料疲勞裂紋擴展速率試驗方法”與GB/T 21143-2007 “金屬材料準靜態斷裂韌度的統一試驗方法”)，而裂紋萌生的測試方法仍處于探索階段，沒有統一的標準。這是因為不同領域的人對裂紋萌生尺度的認識存在差異，如材料科學家認為裂紋沿駐留滑移帶的形核是疲勞失效的初始階段，而機械工程師則認為根據裂紋檢測技術的分辨率來確定疲勞裂紋形核的臨界值。另外，測量技術的局限也給建立試驗標準設置了障礙。目前人們對裂紋萌生的測量技術一般采用復型法、電位法和長焦距顯微鏡觀察法。其中復型法采用醋酸纖維薄膜每隔一段時間在試樣表面復下一層膜，然后在顯微鏡下進行觀察，雖然測量數據準確，但操作煩瑣；電位法有直流、交流、交直流翻轉電位法和脈沖電位法等，這些方法均需要專門的測量系統，應用前需要進行標定，測量精度受多種因素的影響， 操作起來也不夠方便；用長焦距顯微鏡觀察疲勞裂紋，也只能測量表面的裂紋，且勞動強度較大。對于軸向加載的低周疲勞試驗用光滑圓棒形試樣，裂紋萌生具有多源性、同時沿表面及縱深方向擴展的特點，采用以上幾種方法顯然是不合適的。為了預測裂紋萌生壽命，國內外許多學者基于不同的理論提出了不同的預測模型，如Mansion-Confin模型、細觀力學模型、概率模型、Miner線性累計模型等，然而不同的預測模型都存在著這樣或那樣的問題，具有一定的局限性，也不便于通過試驗測量和驗證。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種軸向加載低周疲勞裂紋萌生的試驗測量方法，解決常用的采用光滑圓棒形試樣測量軸向加載低周疲勞裂紋萌生及萌生壽命不易進行、而獲取裂紋萌生壽命在工程上進行全壽命設計時又是必要的這一難題，本發明基于材料一旦萌生裂紋其承載能力必然下降的損傷力學原理，建立了軸向加載低周疲勞裂紋萌生等效長度與應力衰減量之間的函數關系，而應力衰減量是可以通過試驗獲得的，據此，只要通過試驗改變應力衰減量的大小，就可以得到裂紋萌生的任一等效長度，而對應的循環壽命，就是試驗材料的裂紋萌生壽命。利用本發明提出的試驗方法，可以獲得金屬材料軸向加載低周疲勞裂紋萌生及萌生壽命，便于材料在工程上的設計與應用。為了實現解決上述技術問題的目的，本發明采用了如下技術方案 本發明的一種軸向加載低周疲勞裂紋萌生的試驗測量方法，包括如下過程
1、試驗參數的選擇，選擇如下參數作為軸向加載低周疲勞裂紋萌生的試驗測量的依
據θ 等效裂紋的擴展方向與過損傷試樣面和試樣邊界交點半徑的夾角；
31 圓周率；
r 試樣半徑；
d 裂紋等效長度；
Ad 試樣原始截面積；
AAd:試樣面積減少量；
D 損傷變量；
S 穩定應力；
Δ S:應力衰減量；
Ni:裂紋萌生壽命，單位次；
2、設置應力衰減百分數，作為試樣失效的判決依據；衰減百分數一般可以為0 100%， 典型值為259Γ100%，具體選擇多少，主要依賴于試驗材料的應用工況條件及其本身特性。試驗可以采用一個試樣，也可以采用多個試樣；
3、確定如下試驗方程
方程 1 θ =arccos ((r_d)/r)； 方程 2 Δ AD=r2 θ -r (r-d) *sin θ ； 方程 3 :d=r-(r θ-Ji AAd θ )/sin θ ； 方程 4 :D=1-AS/S ； 方程 5 :D=1-AAd/Ad ； 方程 6 :AAd/Ad=AS/S ；
方程 7 Δ S/S=-0. 2073* (d/r) 3+0. 521* (d/r) 2+0· 1887* (d/r) -0. 004 ；
4、根據上述方程1-7，計算出不同應力衰減量對應的裂紋萌生等效長度；
5、選擇軸向加載低周疲勞試驗引伸計及有效量程、試驗程序、試樣形式，測量試樣尺寸及試樣材料彈性模量等參數，并輸入到程序中；
所述的試驗程序，是能夠使計算機自動計算方程1-7的計算結果，并根據輸入的判斷條件，也即根據設置的應力衰減百分數，作為試樣失效的判決依據，終止試驗的程序；
6、設置試驗控制模式為應變控制或者應力控制、應變或者應力幅大小、應變比、加載波形、試驗頻率參數；
更具體優選的，設置試驗控制模式為應變控制、應變幅大小為0. 05% 2. 0%、應變比為-1 0. 1、加載波形為三角波、試驗頻率為0. IHz 1. OHz ；
7、啟動試驗機，開始試驗，隨著試驗的進行，裂紋開始萌生，當達到指定應力衰減量時， 試驗自動停止；
8、記錄載荷循環次數，該次數就是設定應力衰減量下的裂紋萌生壽命。
本試驗測量方法的原理在于
低周疲勞一般用應變控制，因此，低周疲勞又叫應變疲勞。試樣在恒定的應變幅控制與作用下，材料內部晶粒會因反復滑移而形成微裂紋，從而造成材料的損傷，材料有效的承載面積會相應減少，使得材料所能承受的載荷下降，材料所受到的名義應力也逐漸衰減。假設裂紋只在一處萌生，或者可以將在同一截面或不同截面上多處萌生所產生的損傷效果等效于裂紋只在一處萌生的損傷效果，那么，應力的衰減量和這條裂紋擴展的長度應該滿足某一數學關系，當試驗剛開始時，裂紋尚未萌生，應力不會變化，當裂紋開始萌生并擴展使得材料徹底斷裂時，應力衰減到零。也就是說，裂紋擴展所掃過的試樣面積減少量與原始試樣面積之比應該與應力的衰減量與穩定應力之比，存在一定數學關系。而試樣面積的減少量和裂紋的擴展長度是存在一定的數學關系的，這就為建立裂紋萌生等效長度與應力衰減量的關系提供了思路。應力的衰減量可以通過試驗測量，根據建立起來的裂紋萌生等效長度與應力的衰減量數學關系，就可以求得裂紋萌生的等效長度，而對應的循環次數，就是試驗材料的裂紋萌生壽命。關鍵是是否可以建立應力衰減量與裂紋萌生等效長度的正確關系， 這需要一步步分析進行。試驗表明，低周疲勞裂紋萌生呈現多源性。多個裂紋源有時在同一個垂直于載荷方向的截面上，而有時不在同一個垂直于載荷方向的截面上。不管是否在同一個截面上，它們所產生的損傷效果，總可以等效為一條裂紋在某一截面上的損傷效果。具體地說，無論多條裂紋所掃過的面積是否規則，裂紋前緣的形貌是凸出來的，還是凹進去的，是線性的，還是曲線形狀的，總可以等效為一個規則的裂紋及其所掃過的規則的面積，可以用圖1表示。在等應變幅控制的低周疲勞加載過程中，由于材料的損傷，材料所能夠承受的有效面積在逐漸減小，因此所能夠承受的載荷也在逐漸減小，而在低周疲勞的試驗測試中，是假定試件工作面積不變的，因此應力也同樣會衰減，為此，也可以通過測量應力的變化來表征材料的損傷，即方程4。另外，根據損傷的物理意義，實質上是表示喪失承載能力的面積與初始無損傷時的原面積之比，即方程5。根據損傷的一致性原理，試樣面積的減少量與原始截面積的比值ΔΑ/Ad應該等于名義應力的衰減量與穩定應力(一般以試樣失效壽命的一半所對應的應力作為穩定應力)的比值AS/S，可以得到方程6。試驗結果表明，當應力衰減百分數達到50%時(對應裂紋等效長度d為試樣半徑r )，試樣便迅速失穩，因此，以上關系式中的參量滿足下列邊界條件0彡AS/S彡0. 5，0彡d彡r。在試驗之前，圓棒形試樣的工作半徑r是需要確定的(一般r > 3mm)，此處取 r=5mm，根據方程6，同時考慮量綱的一致性，取一系列的有效數據，可以通過數據擬合得到軸向加載低周疲勞裂紋萌生等效長度及應力衰減量的函數方程7，如圖4所示。這些技術方案也可以互相組合或者結合，從而達到更好的技術效果。通過采用上述技術方案，本發明具有以下的有益效果
本發明基于損傷力學的基本原理，提出了一種低周疲勞裂紋萌生等效長度及其萌生壽命的試驗測量方法，采用本發明提出的方法，可以通過簡單試驗獲得金屬材料在軸向加載方式下，低周疲勞裂紋萌生的任一等效長度及裂紋萌生壽命，可以滿足不同領域人們對裂紋萌生及萌生壽命的研究。試驗證實，利用本發明方法獲得的裂紋萌生等效長度與試驗測量值的最大誤差不超過5%，因此，本方法不僅便于實際操作，而且測量精度較高，獲得的裂紋萌生數據可為試驗材料在工程上的應用提供依據。
圖1是低周疲勞裂紋萌生等效長度的幾何模型之多條裂紋及掃過面積示意圖。圖2是低周疲勞裂紋萌生等效長度的幾何模型之等效成一條裂紋及掃過面積示意圖。圖3是是裂紋萌生等效長度d、d所掃過的面積AAd以及試樣半徑r之間的關系示意圖。圖1中，^vlvcci是位于同一截面或不同截面上萌生的裂紋長度，裂紋擴展所掃過的面積(圖中陰影部分)分別為A、B和C。三條裂紋(也可能是更多條)所產生的損傷效果等同于圖2中長度為d的裂紋及其所掃過的面積ΔΑβ。圖3顯示了裂紋萌生等效長度d、d 所掃過的面積Δ Ad以及試樣半徑r之間的幾何關系。圖4是AS/S—d/r的關系曲線圖及其方程。從圖4可見，應力衰減量AS與穩定應力S的比值AS/S及裂紋萌生等效長度d 與試樣半徑r的比值d/r存在較好的一元三次遞增多項式關系，利用該關系，可以通過計算獲得任一裂紋萌生等效長度下的應力衰減量或任一應力衰減量下裂紋萌生的等效長度，再以該應力衰減量作為失效判據，通過試驗獲得裂紋萌生壽命。
具體實施例方式
實施例根據以上的分析及試驗方法，采用800MPa級IOCrNiMo鋼，加工6件圓棒形光滑試樣，試樣半徑r為5. 0mm。在0. 6%應變幅控制下，應變比為_1，三角波形，試驗頻率為0. 2Hz， 應力衰減量AS與穩定應力S的比值AS/S分別取5. 33,7. 35,9. 35,14. 0,16. 6和19. 17 進行試驗，試驗結束后，發藍，然后將試樣打斷，通過金相法測量裂紋掃過的實際面積A，再換算出實際的裂紋萌生等效長度，和采用本方法直接測量的裂紋萌生等效長度進行比較， 結果見表1。表1本方法試驗裂紋萌生等效長度與實際測量值比較
權利要求
1.一種軸向加載低周疲勞裂紋萌生的試驗測量方法，包括如下過程1)、試驗參數的選擇選擇如下參數作為軸向加載低周疲勞裂紋萌生的試驗測量的依據θ 等效裂紋的擴展方向與過損傷試樣面和試樣邊界交點半徑的夾角；31 圓周率；r 試樣半徑；d 裂紋等效長度；Ad 試樣原始截面積；AAd:試樣面積減少量；D 損傷變量；S 穩定應力；Δ S:應力衰減量；Ni:裂紋萌生壽命，單位次；2)、設置應力衰減百分數，作為試樣失效的判決依據；衰減百分數一般為259Γ100%;試驗采用一個試樣或多個試樣；3)、確定如下試驗方程方程 1 θ =arccos ((r_d)/r)； 方程 2 Δ AD=r2 θ -r (r-d) *sin θ ； 方程 3 :d=r-(r θ-Ji AAd θ )/sin θ ； 方程 4 :D=1-AS/S ； 方程 5 :D=1-AAd/Ad ； 方程 6 :AAd/Ad=AS/S ；方程 7 Δ S/S=-0. 2073* (d/r) 3+0. 521* (d/r) 2+0· 1887* (d/r) -0. 004 ；4)、根據上述方程1-7，計算出不同應力衰減量對應的裂紋萌生等效長度；5)、選擇軸向加載低周疲勞試驗引伸計及有效量程、試驗程序、試樣形式，測量試樣尺寸及試樣材料彈性模量參數，并輸入到試驗程序中；6)、設置試驗控制模式為應變控制或者應力控制、應變或者應力幅大小、應變比、加載波形、試驗頻率參數；7)、啟動試驗機，開始試驗，隨著試驗的進行，裂紋開始萌生，當達到指定應力衰減量時，試驗自動停止；8)、記錄載荷循環次數，該次數就是設定應力衰減量下的裂紋萌生壽命。
2.根據權利要求1所述軸向加載低周疲勞裂紋萌生的試驗測量方法，其特征是所述的衰減百分數為25% 100%。
3.根據權利要求1所述軸向加載低周疲勞裂紋萌生的試驗測量方法，其特征是所述的衰減百分數為50%。
4.根據權利要求1所述軸向加載低周疲勞裂紋萌生的試驗測量方法，其特征是所述的試驗程序，是能夠使計算機自動計算方程1-7的計算結果，并根據輸入的判斷條件，也即根據設置的應力衰減百分數，作為試樣失效的判決依據，終止試驗的程序。
5.根據權利要求1所述軸向加載低周疲勞裂紋萌生的試驗測量方法，其特征是所述2頁的試驗控制模式為應變控制、應變幅大小為0. 05% 2. 0%、應變比為-1 0. 1、加載波形為三角波、試驗頻率為0. IHz 1. OHz。
全文摘要
本發明介紹了一種軸向加載低周疲勞裂紋萌生的試驗測量方法，包括選擇參數作為試驗測量的依據、設置應力衰減百分數，作為試樣失效的判決依據；確定試驗方程并計算出不同應力衰減量對應的裂紋萌生等效長度；選擇參數并輸入到試驗程序中；設置試驗控制模式參數；隨著試驗的進行，裂紋開始萌生，當達到指定應力衰減量時自動停止；載荷循環次數即為設定應力衰減量下的裂紋萌生壽命。本發明通過簡單試驗獲得金屬材料在軸向加載方式下，低周疲勞裂紋萌生的任一等效長度及裂紋萌生壽命，獲得的裂紋萌生等效長度與試驗測量值的最大誤差不超過5%，便于實際操作，測量精度較高，可為試驗材料在工程上的應用提供依據。
文檔編號G01N3/08GK102426137SQ20111025429
公開日2012年4月25日 申請日期2011年8月31日 優先權日2011年8月31日
發明者張亞軍, 高靈清 申請人:中國船舶重工集團公司第七二五研究所