[发明专利]一种轴向加载低周疲劳裂纹萌生的试验测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种疲劳性能测试技术，特别是一种轴向加载低周疲劳裂纹萌生的试验测量方法。

 

背景技术

金属材料的疲劳裂纹扩展速率与门槛值及断裂韧度等指标的试验方法均已有国家标准（GB/T 6398-2000“金属材料疲劳裂纹扩展速率试验方法”与GB/T 21143-2007“金属材料 准静态断裂韧度的统一试验方法”），而裂纹萌生的测试方法仍处于探索阶段，没有统一的标准。这是因为不同领域的人对裂纹萌生尺度的认识存在差异，如材料科学家认为裂纹沿驻留滑移带的形核是疲劳失效的初始阶段，而机械工程师则认为根据裂纹检测技术的分辨率来确定疲劳裂纹形核的临界值。另外，测量技术的局限也给建立试验标准设置了障碍。目前人们对裂纹萌生的测量技术一般采用复型法、电位法和长焦距显微镜观察法。其中复型法采用醋酸纤维薄膜每隔一段时间在试样表面复下一层膜，然后在显微镜下进行观察，虽然测量数据准确，但操作烦琐；电位法有直流、交流、交直流翻转电位法和脉冲电位法等，这些方法均需要专门的测量系统，应用前需要进行标定，测量精度受多种因素的影响，操作起来也不够方便；用长焦距显微镜观察疲劳裂纹，也只能测量表面的裂纹，且劳动强度较大。对于轴向加载的低周疲劳试验用光滑圆棒形试样，裂纹萌生具有多源性、同时沿表面及纵深方向扩展的特点，采用以上几种方法显然是不合适的。

为了预测裂纹萌生寿命，国内外许多学者基于不同的理论提出了不同的预测模型，如Mansion-Confin模型、细观力学模型、概率模型、Miner线性累计模型等，然而不同的预测模型都存在着这样或那样的问题，具有一定的局限性，也不便于通过试验测量和验证。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种轴向加载低周疲劳裂纹萌生的试验测量方法，解决常用的采用光滑圆棒形试样测量轴向加载低周疲劳裂纹萌生及萌生寿命不易进行、而获取裂纹萌生寿命在工程上进行全寿命设计时又是必要的这一难题，本发明基于材料一旦萌生裂纹其承载能力必然下降的损伤力学原理，建立了轴向加载低周疲劳裂纹萌生等效长度与应力衰减量之间的函数关系，而应力衰减量是可以通过试验获得的，据此，只要通过试验改变应力衰减量的大小，就可以得到裂纹萌生的任一等效长度，而对应的循环寿命，就是试验材料的裂纹萌生寿命。利用本发明提出的试验方法，可以获得金属材料轴向加载低周疲劳裂纹萌生及萌生寿命，便于材料在工程上的设计与应用。

为了实现解决上述技术问题的目的，本发明采用了如下技术方案：

本发明的一种轴向加载低周疲劳裂纹萌生的试验测量方法，包括如下过程：

1、试验参数的选择，选择如下参数作为轴向加载低周疲劳裂纹萌生的试验测量的依据：

θ：等效裂纹的扩展方向与过损伤试样面和试样边界交点半径的夹角；

π：圆周率；

r：试样半径；

d：裂纹等效长度；

A_D：试样原始截面积；

ΔA_D：试样面积减少量；

D：损伤变量；

S：稳定应力；

ΔS：应力衰减量；

N_i：裂纹萌生寿命，单位：次；

2、设置应力衰减百分数，作为试样失效的判决依据；衰减百分数一般可以为0~100%，典型值为25%~100%，具体选择多少，主要依赖于试验材料的应用工况条件及其本身特性。试验可以采用一个试样，也可以采用多个试样；

3、确定如下试验方程：

方程1：θ=arccos((r-d)/r)；

方程2：ΔA_D=r²θ-r(r-d)*sinθ；

方程3：d=r-(rθ-πΔA_Dθ)/sinθ；

方程4：D=1-ΔS/S；

方程5：D=1-ΔA_D/A_D；

方程6：ΔA_D/A_D=ΔS/S；

方程7：ΔS/S=-0.2073*(d/r)³+0.521*(d/r)²+0.1887*(d/r)-0.004；

4、根据上述方程1-7，计算出不同应力衰减量对应的裂纹萌生等效长度；

5、选择轴向加载低周疲劳试验引伸计及有效量程、试验程序、试样形式，测量试样尺寸及试样材料弹性模量等参数，并输入到程序中；