[发明专利]基于断口定量反推和数值分析的材料初始损伤评估方法

说明书

技术领域

本发明属于材料初始损伤评估技术领域，涉及一种材料初始损伤的评估方法，具体涉及一种利用光滑试样开展疲劳试验，利用断口定量反推和数值分析的方法评估、表征材料材的材质和加工工艺的初始损伤。

背景技术

材料的初始损伤与损伤容限设计中原始疲劳质量有一定的相似性，但其内涵又有不同。

材料中必然存在某些微观缺陷（如夹杂、气孔、位错等）甚至宏观缺陷；材料在加工成构件或试样时也难免产生各种表面或内部加工缺陷（如划伤、刀痕、烧伤、焊接缺陷等）。将不包括形状因素的材料、工艺相关的损伤和缺陷定义为材料的初始损伤。

材料、几何因素、工艺状态、装配工艺状态相关的统称为原始制造状态，又称为原始疲劳质量。原始疲劳质量是基于损伤容限的思想提出的。损伤容限是指结构及材料在正常工作载荷下，仍然保证工作安全可靠所容许的最大损伤程度或大小。损伤容限设计思想中的初始裂纹，就是指把这些存在于构件中的初始缺陷综合等效地归结为一个非实体的当量裂纹长度a_0i，称之为当量初始裂纹长度，并以此作为表征构件质量的参量，因此称之为当量初始质量。a_0i虽是一个假设的裂纹长度，却又综合反映了构件中的材质以及加工制造质量，所以又将a_0i称为原始疲劳质量。这里的原始疲劳质量指的是结构细节的原是疲劳质量。

目前原始疲劳质量一般用结构细节模拟试件在实测载荷谱或设计载荷谱下开展耐久性试验进行研究，结构细节模拟试件要求与结构具有相同的材料加工状态、与结构具有相同的厚度、细节尺寸和主要的平面几何尺寸。这种开展原始疲劳质量研究的方法，使有些大尺寸结构、以及先进材料结构很难实现，从而无法了解结构细节的原始疲劳质量。用这种方法研究结构细节的原始疲劳质量，不但对模拟试件要求高，试验复杂、周期长，而且这种方法得到的原始疲劳质量结果受多种因素的影响，相同的材料、不同的结构细节和加工工艺，其原始疲劳质量不同，通用性差。因此，有必要研究易于实现和通用性好的表征初始损伤的评估方法。

目前已有的原始疲劳质量评估方法，主要是针对结构细节的原始疲劳质量进行评估，主要有两种评估方法。

（1）断裂力学的方法

首先开展结构细节模拟试件的耐久性试验，通过试验后试件断口的判读，获得建立原始疲劳质量（EIFS）分布所需的（a，N）数据集，a是相对小裂纹的特征裂纹尺寸，而N则为疲劳寿命。指定参考裂纹尺寸a_r，可以确定各应力水平下各试样对应a_r的N的数据。选定裂纹萌生时间分布模型。a_r不同，会得到不同的通用EIFS分布参数，变动a_r选择适当的优化准则，对通用EIFS分布参数进行优化。

（2）断口定量反推的方法

①通过对模拟件试验断口进行分析，找出断口形貌与载荷谱之间的对应关系，并从断口上实测出对应于载荷循环数N_i的裂纹长度a_i；

②根据①测得的一组数据绘制裂纹长度与谱循环数的关系曲线，即疲劳裂纹扩展曲线，见图1。

③拟合实测曲线，反推a_0i：由断口实测数据只能绘制疲劳裂纹扩展曲线的一部分。要得到a_0i，必须根据载荷谱的特点，选择合适的力学模型编程序拟合实测曲线。利用与实测曲线相吻合的裂纹扩展规律将曲线反推到时间为零，即N=0，曲线与纵坐标的交点即为该构件的a_0i。

上述两种评估原始疲劳质量的方法存在的局限性：

断裂力学的方法：要获得评估所需的基础数据，用裂纹监测的方法非常繁琐，试验效率低。若通过断口特征与载荷谱关系判断的方法，很难获得较小裂纹处的（a，N）数据，而较小裂纹处的（a，N）数据是评估原始疲劳质量所必需的。另外，在评估原始疲劳质量的过程中，要根据（a，N）数据计算裂纹扩展速率，而（a，N）是裂纹扩展阶段的数据，当试验寿命以扩展寿命为主的情况下，用（a，N）数据计算裂纹扩展速率误差较小，而萌生寿命为主的情况下，用（a，N）数据计算裂纹扩展速率，会有较大的误差。