基于復型與小時間尺度壽命預測的疲勞裂紋擴展測試方法
【專利摘要】本發明公開了一種基于復型與小時間尺度壽命預測的疲勞裂紋擴展測試方法。步驟一，在試樣上根據小時間尺度理論，從預制缺口位置到裂紋的臨界擴展位置之間選取五個載荷周期，在每個載荷周期內的加載和卸載過程中分別對稱選取十個測試點；步驟二，采用第一次復型方法獲取各個測試點的微觀形貌，并將所述復型后的樣本置于掃描電鏡下進行形貌觀察影像采集；當裂紋擴展增量無法在掃描電鏡下看清時，需進行步驟三的第二次復型；步驟三，再將二次復型后的樣本置于透射電鏡下進行形貌觀察影像采集，根據照片測量疲勞裂紋擴展增量和CTOD。本方法適用于處于平面應變狀態的金屬構件疲勞裂紋擴展測試。
【專利說明】基于復型與小時間尺度壽命預測的疲勞裂紋擴展測試方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種疲勞裂紋擴展測試方法，具體涉及一種面向復型與小時間尺度壽命預測的疲勞裂紋擴展測試方法，適用于處于平面應變狀態的金屬構件。
【背景技術】
[0002]關于疲勞裂紋造成的疲勞破壞問題研究一直都是熱點問題，疲勞壽命預測是其中一個巨大的挑戰。傳統的疲勞損傷方法都是基于周期載荷的分析方法，最早是根據S-N曲線，由于該方法時間尺度相對較大，故一般用于描述材料或結構的最終疲勞壽命。目前疲勞壽命的主流研究方法是基于疲勞裂紋平均每周期增長速率和應力強度幅值之間關系(Paris公式)的模型，極大程度上縮小了疲勞模型的時空尺度，但其最小時間尺度仍局限于一個載荷周期，無法適用于工程結構中復雜的變幅載荷情況。針對此問題，有學者提出小時間尺度疲勞裂紋擴展分析方法，即以連續的時間作為最小測量尺度，研究在一個載荷周期內任意時刻里疲勞裂紋的開合以及增長的瞬時行為。
[0003]上述小時間尺度下疲勞裂紋擴展的分析是采用原位疲勞試驗，通過掃描電鏡對裂紋尖端的連續變化行為進行拍照，從而測量出疲勞裂紋擴展增量和CT0D(Crack TipOpening Displacement,裂紋尖端張開位移)。但由于原位疲勞試驗機可施加的最大載荷有限，且掃描電鏡放大倍數較大造成所能觀察到的范圍較小，故僅適用于較薄較小的試樣，然而這種試樣是處于平面應力狀態的，但工程中的構件多為平面應變狀態，使得所研究的對象與工程實際結構不完全一致，因此，需通過其他方法獲得處于平面應變狀態的常規試樣在小時間尺度下的裂紋擴展數據。
【發明內容】
[0004]為了解決現有疲勞裂紋擴展測試方法中存在的測試精度不精確、預估被試產品的剩余壽命不準確，本發明通過對裂紋形貌的微觀觀測，并用數字信息表征裂紋擴展行為；為解決在小時間尺度疲勞壽命預測中，由于實驗裝置的限制而導致試樣尺寸具有局限性，提出了一種針對處于平面應變狀態金屬構件的、基于復型與小時間尺度壽命預測的疲勞裂紋擴展測試方法。該方法采用小時間尺度理論與多重影像采集進行分析，但通過復型法獲取試樣表面的形貌，從而測量出疲勞裂紋擴展增量和CT0D，以進行疲勞壽命的預測，提高了金屬結構件的安全使用。
[0005]本發明的技術方案是:
[0006]步驟一，在試樣上根據小時間尺度理論，從預制缺口位置到裂紋的臨界擴展位置之間選取五個載荷周期，在每個載荷周期內的加載和卸載過程中分別對稱選取十個測試占.
[0007]步驟二，采用第一次復型方法獲取各個測試點的微觀形貌，并將所述復型后的樣本置于掃描電鏡下；當裂紋擴展增量能夠清楚地在掃描電鏡下進行形貌觀察，則采集影像；當裂紋擴展增量無法在掃描電鏡下看清時，需進行步驟三的第二次復型；
[0008]步驟三，將需要二次復型后的樣本置于透射電鏡下進行形貌觀察影像采集；根據形貌觀察影像測量疲勞裂紋擴展增量和CT0D。
[0009]本發明提出的一種基于復型與小時間尺度壽命預測的疲勞裂紋擴展測試方法，適用于處于平面應變狀態的金屬構件疲勞裂紋擴展測試。
[0010]本發明方法的優點和積極效果在于:
[0011](A)、小時間尺度下疲勞裂紋擴展的分析以連續的時間作為最小時間尺度，它做為一套新的理論體系收到了極為廣泛的關注。但是，由于其試驗裝置的對試樣尺寸的限制，這種分析方法只能適用于平面應力狀態的構件，而工程實際中的構件則多處于平面應變狀態，這一局限性阻礙了小時間尺度理論不能完全適用于工程中。在本發明方法中，通過復型方法將處于平面應變狀態試樣的疲勞裂紋形貌轉移到了醋酸纖維薄膜上。這樣一來，無論試樣為何形狀尺寸，均可以將其疲勞裂紋的形貌置于掃描電鏡下進行觀察。本發明方法填補了小時間尺度下無法對平面應變狀態構件進行疲勞裂紋分析的難題，進一步完善了小時間尺度疲勞裂紋擴展分析方法的體系。
[0012](B)、雖然也可以由平面應力狀態下的結果通過一定理論推導得到平面應變狀態下的壽命預測模型，但其準確性和有效性還有待考證。本發明方法是完全基于平面應變狀態試樣進行裂紋擴展試驗的預測方法，可通過這些試驗數據得到實際的結果，并將其與理論推導進行對比和驗證，通過完善使得理論預測模型更為精確。
[0013](C)、本發明方法對所有鋁合金、鈦合金、高溫合金、結構鋼等金屬材料具有通用性，適用范圍非常廣泛。
[0014](D)、工程實際結構中的結構多受到復雜變幅載荷，然而定義載荷周期序列是十分困難的。小時間尺度的疲勞裂紋擴展測試方法是研究任一載荷周期內不同時刻下，疲勞裂紋的開合行為和疲勞裂紋增長行為，建立基于小時間尺度的疲勞裂紋擴展模型，從而實現復雜載荷譜下結構的疲勞壽命預測。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0015]圖1是本發明選用試樣的規格圖。
[0016]圖2A是本發明的恒幅載荷譜。
[0017]圖2B是本發明的復雜變幅載荷譜。
[0018]圖2C是本發明的每個載荷周期內所選取的測量點是示意圖。
[0019]圖3是本發明的復型形貌照片。
[0020]圖4A是本發明的試樣表面復型位置的示意圖。
[0021]圖4B是本發明的測量裂紋擴展增量的照片。
[0022]圖5是本發明的裂紋擴展增量一CTOD的關系曲線。
[0023]圖6是本發明測量裂紋擴展增量的流程圖。
【具體實施方式】
[0024]下面將結合附圖和實施例對本發明做進一步的詳細說明。
[0025]參見圖6所示，本發明采用復型與小時間尺度手段對航空7050系列鋁合金材料進行疲勞裂紋擴展測試，測試的目的是為了解決現有疲勞裂紋擴展測試方法中存在的測試精度不精確、預估被試產品的剩余壽命不準確造成壽命預測不準，本發明通過對裂紋形貌的微觀觀測，并用數字信息表征裂紋擴展行為，從而測量出疲勞裂紋擴展增量和CTOD，以進行疲勞壽命的預測，提高了金屬結構件的安全使用。
[0026]制備試樣
[0027]在本發明中，試樣采用GBT6398-2000《金屬材料疲勞裂紋擴展速率試驗方法》中的標準SE⑶試樣。
[0028]為了方便說明，試樣如圖1所示，W表示試樣的寬，長是寬的4.2倍。為避免單個試樣測試所產生的誤差，至少加工三個試樣進行本發明提出方法的疲勞裂紋擴展測試。
[0029]在標準SE⑶試樣上預制缺口，缺口深度為0.1W。
[0030]本發明提出的基于復型與小時間尺度壽命預測的疲勞裂紋擴展測試方法，包括有下列步驟:
[0031]步驟一:測試點選取
[0032]在標準SE(B)試樣上，從預制缺口長度到裂紋臨界尺寸的增長范圍內選取五個載荷周期，在每個載荷周期內的加載和/或卸載過程中分別對稱選取十個測試點；五個載荷周期如圖2A所示，N1, N2, N3, N4, N5 ;從中任意選取合適的載荷周期進行復雜變幅載荷譜試驗，如圖2B所示。
[0033]在本發明中，在每個載荷周期內，若為恒幅加載類型，則在加載過程中選取10個測試點i，即i = 1、2、3、…、10。
[0034]在本發明中，在每個載荷周期內，若要研究恒幅載荷下的裂紋尖端閉合現象或研究復雜變幅載荷譜，則需在加載過程和卸載過程分別對稱選取十個測試點i，如圖2C所示。
[0035]在本發明的測試進行過程中，若發現加載時在前幾個測試點處總是沒有裂紋張開，只有當應力水平達到一定值時裂紋才開始張開，則記錄該點所對應的應力強度因子K，則在其之后幾個載荷周期的試驗中可不對該點之前的測試點進行復型。產生這種現象的原因是由裂紋閉合現象引起的。由于裂紋擴展增量和CTOD的值都是逐漸增加的，故為使測量結果更加均勻，所選載荷周期和測試點應盡量逐漸趨于密集。
[0036]步驟二:第一次復型獲取各個測試點的微觀形貌
[0037]步驟21:當缺口位于第N(N = N1,N2,N3,N4,N5)個載荷周期內第i(i = 1、2、3、…、
10)個測試點時,停止循環載荷并對試樣施加靜態載荷；
[0038]步驟22:用蘸有丙酮的棉花球清洗缺口表面，分別在N1, N2, N3, N4, N5五個載荷周期進行復型測量，在醋酸纖維素薄膜上滴1-2滴丙酮，然后分別將其輕輕附著在試樣裂紋側表面。待膜干燥5min后，用鑷子夾住膜的端部，自上而下從缺口表面緩慢地剝落下來；
[0039]在本發明中，為幫助辨別膜的方位，可剪去膜的其中一個角。
[0040]步驟23:為保證得到有效的復型結果，分別在裂紋兩個側表面分別進行三次復型，復型方法重復步驟22，每個測試點共得到6片醋酸纖維薄膜；
[0041]步驟24:將用于復型后的醋酸纖維薄膜平整粘貼在貼有雙面透明膠帶的玻璃片上，并貼上相應的復型序號，復型序號應與載荷周期數和該載荷周期內的應力水平相對應。
[0042]在本發明中，進行步驟24時注意保證平直、棱角清晰和無扭曲，避免受到損傷。
[0043]步驟25:將所有樣本置于掃描電鏡下觀察(可從最后一個復型樣本開始觀察直到第一次復型樣本，也可以順次進行觀察)，若樣本在掃描電鏡下有清晰的圖像，則直接對其形貌圖像采集，根據形貌觀察影像測量疲勞裂紋擴展增量和CTOD ;若樣本在掃描電鏡下觀察圖像比較模糊的，則進行第二次復型。
[0044]觀察第一次復型樣本之后的裂紋微觀形貌，如圖3所示。由于掃描電鏡的放大倍數有限，放大倍數通常在5000?10000倍之間，所能觀察到的最小長度一般為0.1?0.2 μ m0
[0045]在本發明中，當裂紋擴展大于0.2μ m時，直接將上述復型后的樣本置于掃描電鏡下觀察即可；而當裂紋擴展小于0.Ιμπι時，掃描電鏡難以觀察到裂紋擴展的增量，此時需進行二次復型，之后置于透射電鏡下觀察。
[0046]在本發明中，根據第一次復型后的每個試樣在疲勞試驗中所得到的裂紋長度-循環周次的數據，估算在第N個循環周次第i個測試點處樣本的裂紋擴展增量和CT0D，判斷該樣本是否需要進行二次復型。對于裂紋擴展增量和CTOD不能同時大于0.2 μ m的樣本，需要進行二次復型，之后置于透射電鏡下觀察。
[0047]步驟三:第二次復型獲取各個測試點的微觀形貌
[0048]將經步驟25篩選后的不能在掃描電鏡下觀察的樣本進行表面做噴碳處理，如圖4A中的(a)所示，注意應使碳膜I均勻噴涂在樣本基體2上，且控制碳膜厚度在20 μ m以內(如圖4A中的b)。根據該樣本所處循環周次對應的裂紋長度，大致確定裂紋尖端的位置，將樣本剪成約3mm見方的小塊，將其置于丙酮試劑中以溶解醋酸纖維薄膜。當碳膜浮起約2分鐘，將碳膜轉移到另一個盛有新鮮丙酮試劑的量杯內，再漂洗5分鐘。然后用樣品拖網直接在丙酮量杯內或將碳膜置在蒸餾水面展開后在撈取，經干燥后得到裂紋尖端轉換樣本3 (如圖4A中的c)，即可在透射電鏡下觀察，并進行拍照。
[0049]根據透射電鏡下所拍攝的照片測量各裂紋尖端轉換樣本的疲勞裂紋擴展增量和CT0D，如圖4B所示。做出每個循環周次內的裂紋擴展增量Aa-CTOD的關系曲線，并用該循環周次峰值應力所對應的最大應力強度因子Kmax值表征這條曲線，如圖5所示。圖中，四個循環周次內的裂紋擴展增量分別為:第一個周次的最大應力強度因子值記為Kmaxl、第二個周次的最大應力強度因子值記為Kmax2、第三個周次的最大應力強度因子值記為Kmax3和第四個周次的最大應力強度因子值記為Kmax4。
[0050]本發明提供的面向復型與小時間尺度壽命預測的疲勞裂紋擴展測試方法，針對處于平面應變狀態下的試樣，通過復型技術對材料在一個載荷周期內任意時刻里疲勞裂紋的開合以及增值行為進行觀測，為材料的疲勞壽命預測提供基礎。該方法不僅突破了傳統疲勞壽命分析方法基于周期載荷分析的缺陷，以及無法在更小時間尺度下對疲勞裂紋進行更本質的觀測和研究的問題，更解決了目前小時間尺度分析方法只能分析處于平面應力狀態下的試樣的局限性，使得實際的損傷分析結果與工程結構更為接近，提高了疲勞損傷分析的準確性和可信度。
【權利要求】
1.一種基于復型與小時間尺度壽命預測的疲勞裂紋擴展測試方法，進行疲勞裂紋擴展測試用的試樣為標準SE (B)試樣；其特征在于疲勞裂紋擴展測試包括的步驟為: 步驟一，在試樣上根據小時間尺度理論，從預制缺口位置到裂紋的臨界擴展位置之間選取五個載荷周期，在每個載荷周期內的加載和卸載過程中分別對稱選取十個測試點； 步驟二，采用第一次復型方法獲取各個測試點的微觀形貌，并將所述復型后的樣本置于掃描電鏡下；當裂紋擴展增量能夠清楚地在掃描電鏡下進行形貌觀察，則采集影像，并根據形貌觀察影像測量疲勞裂紋擴展增量和CTOD ;當裂紋擴展增量無法在掃描電鏡下看清時，需進行步驟三的第二次復型； 步驟三，將需要二次復型后的樣本置于透射電鏡下進行形貌觀察影像采集；并根據形貌觀察影像測量疲勞裂紋擴展增量和CT0D。
2.根據權利要求1所述的基于復型與小時間尺度壽命預測的疲勞裂紋擴展測試方法，其特征在于步驟二的第一次復型的處理步驟為: 步驟21:當缺口位于任意一個載荷周期N內第i個測試點時，停止循環載荷并對試樣施加靜態載荷； 步驟22:用蘸有丙酮的棉花球清洗缺口表面，分別在五個載荷周期進行復型測量，在醋酸纖維素薄膜上滴1-2滴丙酮，然后分別將其輕輕附著在試樣裂紋側表面。待膜干燥5min后，用鑷子夾住膜的端部，自上而下從缺口表面緩慢地剝落下來； 步驟23:為保證得到有效的復型結果，分別在裂紋兩個側表面分別進行三次復型，復型方法重復步驟22，每個測試點共得到6片醋酸纖維薄膜； 步驟24:將用于復型后的醋酸纖維薄膜平整粘貼在貼有雙面透明膠帶的玻璃片上，并貼上相應的復型序號，復型序號應與載荷周期數和該載荷周期內的應力水平相對應； 步驟25:將所有樣本置于掃描電鏡下觀察，若樣本在掃描電鏡下有清晰的圖像，則直接對其形貌圖像采集，并根據形貌觀察影像測量疲勞裂紋擴展增量和CTOD ;若樣本在掃描電鏡下觀察圖像比較模糊的，則進行步驟三的第二次復型。
3.根據權利要求2所述的基于復型與小時間尺度壽命預測的疲勞裂紋擴展測試方法，其特征在于:第一次復型樣本的裂紋微觀形貌最小長度為0.1?0.2 μ m。
4.根據權利要求1所述的基于復型與小時間尺度壽命預測的疲勞裂紋擴展測試方法，其特征在于:適用于處于平面應變狀態的金屬構件疲勞裂紋擴展測試。
【文檔編號】G01N3/32GK104406867SQ201410717199
【公開日】2015年3月11日 申請日期:2014年12月1日 優先權日:2014年12月1日
【發明者】王畏寒, 張慰, 何晶靖, 張衛方, 陽勁松, 王紅勛, 張宇隆, 方小亮, 婁偉濤 申請人:北京航空航天大學