金属材料疲劳裂纹扩展速率实验.

1、一 .金属材料疲劳裂纹扩展速率实验实验指导书飞机结构强度实验室2007年 3月金属材料疲劳裂纹扩展速率实验1 试验目的1了解疲劳裂纹扩展试验的基本原理2掌握金属材料疲劳裂纹扩展速率试验测定方法3掌握疲劳裂纹扩展试验测定装置的使用方法4掌握疲劳裂纹扩展数据处理方法2 基本原理结构在交变载荷的作用下，其使用寿命分为裂纹形成寿命和裂纹扩展寿命两部分。裂纹形成寿命为由微观缺陷发展到宏观可检裂纹所对应的寿命，裂纹扩展寿命则是由宏观可检裂纹扩展到临界裂纹而发生破坏这段区间的寿命，裂纹扩展由断裂力学方法确定。2.1 疲劳裂纹扩展速率 裂纹扩展速率 dN，即交变载荷每循环一次所对应的裂纹扩展量，在疲劳裂纹扩展

2、过程中， dN 不断变化，每一瞬时的 dadN 即为裂纹长度 a随交变载荷循环数 N 变化的 a-N 曲线在该点的斜率。裂纹扩展速率 dN 受裂纹前缘的交变应力场的控制，主要是裂纹尖端的交变应力强度因子的范围 ?K 和交变载荷的应力比 R。线弹性断裂力学认为，在应力比不变的交变载荷的作用下， dN 随?K 的变化关系在双对数坐标系上呈图 1 所示的形状。 log(da/dN)?Kth?Kclog (?K )图 1 dadN-?K 曲线形状dN-?K 曲线分成三个阶段：低速扩展段 I 、稳定扩展段 II 和快速扩展段 III ，阶段 I 存在的垂直渐进线 ?K=?Kth 称为裂纹扩展门槛值，当

3、?K<?Kth 时裂纹停止扩展，阶段 III 存在的垂直渐进线 ?K=?Kc 为材料的断裂韧度。阶段 III 对应的裂纹扩展寿命在整个裂纹扩展过程中所占的比例很小，对使用寿命的影响也很小，因此建立描述裂纹扩展速率的公式时主要考虑裂纹扩展的I、 II 阶段。常用的描述裂纹扩展速率的公式有Paris公式（式 1）、 Walker 公式（式 2）、 Forman公式（式 3）、 Hartman公式（式 4）、 Klesnil 公式（式 5）、 IAB 公式（式 6）等。dadN=C(?K)n (1)ndadN=C? (1-R)Kmax? ?dadN=C(?K)nm(2) (3) (4) (5)

4、 (6)? ? Kc(1-R)- ?K ? ?ndadN=C(?K -?Kth)ndadN=C(?Kn -?Kth)ndadN=C(?Kn -?Kth) ? ? Kc(1-R)- ?K ? ?Paris 公式由于形式简单，一直得到广泛的应用，它能够较好的描述裂纹扩展的第 II 阶段。 Walker 公式也主要用于描述裂纹扩展的第 II 阶段，它是 Paris公式的改型，增加了对应力比 R 的考虑。 Forman 公式可以更好的描述裂纹扩展的第III 阶段。 Hartman 公式和 Klesnil 主要用于描述第 I 阶段的裂纹扩展规律。 IAB 公式可以全面的描述裂纹扩展的三个阶段，但公式的复

5、杂性就定了它在工程应用中不多。2.2 影响疲劳裂纹扩展的因素1与材料有关的影响因素（1）材料产品的类型。如板材、挤压件、锻件等。对于相同的材料，若产品类型不同，则 dadN 会有明显的差别。（2）热处理工艺。材料成分相同，但热处理工艺不同，会导致材料的微观组织的差别，从而影响材料对裂纹扩展的阻力，造成 dN 的不同。（3）厚度。由相同材料制成的构建，厚度不同，则在裂纹尖端附近材料处于不同的应力状态，随着厚度的增加， dN 呈加大的趋势。2与环境有关的因素（1）腐蚀介质。腐蚀疲劳裂纹扩展包含两部分裂纹扩展机制，应力腐蚀作用下的裂纹长度随时间的扩展速率和交变载荷所引起的疲劳裂纹扩展。通常腐蚀条件下

6、的裂纹扩展速率会高于惰性气体环境（干燥空气）中的疲劳裂纹扩展速率，并与加载频率和波形有关。（2）温度。因为材料的塑性行为与温度有关，在较高的温度下，循环塑性变形易于进行， dadN 将增大。高温下的疲劳裂纹扩展速率也与加载频率和波形有密切关系。（3）加载频率和波形。在惰性环境（干燥气体）和室温条件下，在常用的加载频率内，频率对dadN 的影响不显著。在惰性环境与室温下载荷波形对dN 的影响也不明显。在相同的腐蚀介质和（或）高温条件下，通常频率越低， dadN 越大，且变化比较显著，波形的影响也不可忽略，一次循环中较大在和施加的时间越长，则 dN 越大。 3 试验装置和试样本试验是测定金属材料在

7、试验室空气环境下裂纹稳定扩展阶段的裂纹扩展速率。3.1 试验装置疲劳裂纹扩展速率试验允许在不同类型的拉压疲劳试验机上进行，但必须满足：1）使试样受载对称分布； 2）在静态下校正载荷，其误差不超过 ±1%，示值变动度不超过 1%；在动态下校正载荷，其误差不超过 ±3%； 3）带有准确的计数装置。CT 试样的加载装置为U 型夹具，其材料的条件屈服强度 0.2应大于980.7MNm2，销钉与销孔间隙应设计得使摩擦减至最小。CCT 试样的加载装置应保证在整个试验过程中试样工作区域内应力均匀分布，为限制屈曲，薄板试样必须采用约束导板。3.2 试样金属材料的疲劳裂纹扩展试验可以采用标准

8、CT（图2）试样或标准CCT（图3）试样。试样厚度：对于 CT 试样而言，推荐厚度范围为 W20BW4（W25mm）；对于 CCT 试样，推荐试样厚度上限为 W，所必要的最小厚度要能避免屈曲。试样宽度：为测得有效的试验数据，应根据材料的条件屈服强度 0.2以及预期的最大应力强度因子的极限值 KmaxL 和 CT 试样的 a 或 CCT 试样的 2a 极限值选择试样的最小可宽度 W。试样切口： CT 试样的切口长度 an 应不小于 0.2W。CCT 试样的切口前缘到中心的距离 an应不小于中心孔径的 3 倍，当采用柔度法测量裂纹长度时，建议中心裂纹长度 2an不小于 0.2W。试样切口可通过铣切

9、、线切割和其他方法加工而成。试样不可避免地会存在残余应力，它有可能引起疲劳裂纹扩展速率的变化。通过选择合适的试样形状和尺寸及合理的试样加工与热处理工艺等，使残余应力对疲劳裂纹扩展速率的影响尽量减小。疲劳裂纹扩展速率并非总是与试样的几何形状无关，试样厚度的变化对疲劳裂纹扩展速率的影响有可能增大、减小或保持不变，因此，对试样的厚度效应应当引起注意。2- 0.25W +0.05图 2标准 CT试样图2- W /3图 3 W75mm的标准 CCT 试样图4 试验过程4.1 试样尺寸测量用精度为 0.01mm 的量具在试样的韧带区域三点处测量厚度 B，取平均值。用精度不低于 0.001W 的量具在试样的

10、裂纹所在截面附近测量宽度 W。4.2 预制疲劳裂纹预制疲劳裂纹时应使最大载荷 Pmax的误差控制在 ±5%以内，预制疲劳裂纹最后一级的最大载荷不得超过开始记录试验数据时的最大载荷值，须把较高的载荷分级降到试验最大载荷，每级下降率不得大于20%。为防止试验时的瞬变效应，'为上一级 '0.2)2，其中 Kmax 每一级加载范围应使裂纹长度扩展量不小于()(Kmax载荷最后的最大应力强度因子Kmax 值。在前后表面上从切口顶端到疲劳裂纹尖端测量裂纹长度（CCT 试样前后表面均要测左右两个裂纹长度），测量应准确到 0.1mm 或 0.002W 中较大的一个，所测各个裂纹长度均

11、应大于 0.1B 和缺口宽度 h，但不得小于 2.5mm。若前后表面裂纹长度测量值之差超过 0.25B 或左右两侧裂纹长度测量值之差超过 0.025W，则试验无效。4.3 疲劳裂纹扩展试验在试验载荷下记录若干个循环数及其对应的裂纹长度。试验中应注意： 1）应保持载荷稳定和避免过载迟滞效应； 2）当存在环境影响时，必须考虑载荷水平、频率和波形的影响； 3）若长时间中断试验，而中断后的裂纹扩展速率比中断前小，则试验无效； 4）试验中任何一点平均穿透疲劳裂纹与试样对称平面的偏离大于 5 度，此点数据无效； 5）在试验中某一点处前后表面裂纹长度测量值相差超过 0.025W，则此点数据无效。4.4 裂纹

12、长度测量裂纹长度的测量可以采用目测法、柔度法、点位法等，这里采用目测法进行测量。用目测法或等效的方法测量疲劳裂纹长度时，测量精度应不低于0.1mm 及0.002W 中较大的一个。测量裂纹长度最好在不中断试验的情况下进行，若需中断试验测量时，应满足：1）中段时间应减至最少； 2）为增加裂纹尖端的清晰度，可加静载，其值应小于最大试验载荷。裂纹增量 ?a 的测量间隔应使 dN-?K 数据点接近均匀分布。在任何情况下，最小的?a 应为 0.25mm 或 10 倍于裂纹长度测量的精度，取两者中的较大值。用目测法测量裂纹长度时，当 B 小于 0.15 时，只需在一个表面上测量裂纹长度，对 CCT 试样要在

13、左右两侧的两裂纹长度，取平均值。当 B 大于 0.15 时，则需在前后两个表面上测量裂纹长度，取平均值，对于CCT 试样则需要在前后表面的左右两侧测量四个裂纹长度，取平均值。5 试验结果处理5.1 裂纹曲率的修正试验结束之后检验断口，以确定裂纹前缘曲率范围，若需要进行曲率修正，且裂纹前缘线条明显，则至少在两个位置（例如预制裂纹和极限裂纹）测量厚度方向(4)B、(2)B 、(34)B 三点处的裂纹长度，其平均值与试验记录的相应裂纹长度之差即为曲率修正量。在任何一个位置上，由平均裂纹长度计算出的应力强度因子和由试验裂纹长度计算出的应力强度因子相差大于 5%，则需要进行曲率修正。裂纹曲率修正量不是一

14、个恒量，当它随裂纹伸长而单调增加或减少时，则采用线性内插法修正中间各数据点。5.2 疲劳裂纹扩展速率的确定由(a,N)数据得到 dadN 时，建议采用递推多项式方法进行局部拟合求导，以确定疲劳裂纹扩展速率和裂纹长度的拟合值队任一试验数据点 (i) 即前后各几点，共(2n+1)个连续数据点，采用如下二次多项式进行拟合求导：式中， -1? Ni-C1? Ni-C1? ?i=b0+b1 a+b C? 2 C? 22?Ni-C111 +1，C1=(Ni+n+Ni-n) ，C2=(Ni+n-Ni-n) ，ai-n a ai+n C2222(7)系数 b0、b1、b2 是在 (ai-n,ai+n)区间按最

15、小二乘法（即使裂纹长度观测值与拟?i 是对应于循环数 Ni 上合值之间的偏差平方和最小）确定的回归参数。拟合值 a 的拟合裂纹长度。参数 C1、C2 是用于变换输入数据，以避免在确定回归参数时的数值计算困难。在 Ni 处的裂纹扩展速率由（ 7）式求导而得：2b(N-C)b? da? =1+2i21C1C2? dN? a?i?i 计算与 dN 值相对应的 ?K 。 利用对应于 Ni 的拟合裂纹长度 a (8)5.3 应力强度因子范围的计算对 CT 试样，?K=?PB?(2+ )(0.886+4.64 +13.32 2+14-5.67234)-1 (9)式中： =a。对于 a 大于或等于 0.2 表达式有效。对