[发明专利]一种低温裂纹扩展性能表征与寿命估算的方法

说明书

技术领域

本发明提供一种低温裂纹扩展性能表征与寿命估算的方法，属于金属结构疲劳断裂可靠性技术领域。

背景技术

在工程实际中，材料常会受到交变载荷的作用而产生损伤，出现疲劳裂纹；当损伤累积超过材料的容许限度时发生断裂失效，从而，对结构的安全性造成威胁。低温是材料使用过程中不可避免的环境因素，例如，航空器在某些地区的工作温度达到-50℃；液氮储存设备和低温超导材料的工作温度更是低于-250℃；低温环境下，材料的宏观性能和微观结构常发生改变，裂纹扩展行为也有所不同，因此，研究材料的低温裂纹扩展行为有重要的实际意义。目前，尚缺乏更为精确而实用的低温裂纹扩展性能表征模型和寿命估算方法，为此，发明了一种简单实用的低温裂纹扩展性能表征与寿命估算的方法，该方法仅需要低温环境下材料的恒载裂纹扩展性能曲线和实测飞行载荷谱，便可构建低温裂纹扩展性能表征模型，并估算材料的谱载裂纹扩展寿命，本发明具有重要学术意义和工程应用价值。

发明内容

1、目的：本发明目的是提供了一种低温裂纹扩展性能表征与寿命估算的方法，该方法具有所需计算参数少、计算简便、精度较高等特点，对于低温环境下材料的裂纹扩展性能和谱载寿命评估有重要价值。

2、技术方案：一种低温裂纹扩展性能表征与寿命估算的方法，该方法具体步骤如下：

步骤一、低温裂纹扩展性能da/dN-ΔK曲线

图1为中心裂纹拉伸M(T)试样的加载示意图，按照图1的加载形式和国家标准《金属材料疲劳裂纹扩展速率试验方法》(GB-T6398)，在低温环境下进行裂纹扩展试验。施加指定应力比R，观测并记录裂纹扩展过程中的左、右裂纹长度，并根据左、右裂纹长度计算平均裂纹扩展长度a，得到铝合金材料的恒载裂纹扩展a-N数据，采用割线法进行数据处理

式中，a_i和a_i+1为临近两点的裂纹扩展长度，N_i和N_i+1为对应的扩展循环数。

按照国家标准GB-T6398的要求计算扩展过程中应力强度因子变程ΔK的值，对于M(T)试样，ΔK的表示方法为

R＝S_min/S_max(3)

α＝2a/W(5)

式中，P为交变载荷；α为尺寸系数；a为当前裂纹长度；W为试件宽度；B为试件厚度。由(1)至(5)，对试验数据进行处理，可以绘制材料的低温裂纹扩展性能da/dN-ΔK曲线(如图2所示)。

步骤二、低温裂纹扩展性能表征模型

表征材料裂纹扩展速率的Walker公式为

式中C₀、m₀和n₀为材料常数。在Walker公式基础上，考虑低温环境对材料断裂门槛值的作用，提出了表征低温裂纹扩展速率的修正Walker表达式

式中，C₁、m₁和n₁为材料常数；ΔK_th,L为拟合得到的低温断裂门槛值，体现了温度对扩展速率的影响。

对式(7)取对数，得到

Y＝a₁+a₂X₁+a₃X₂(8)

式中，Y＝lg(da/dN)，a₁＝lgC₁，a₂＝n₁，a₃＝m₁，X₁＝lg(ΔK-ΔK_th,L)，X₂＝lg(1-R)，可见Y与X₁和X₂成线性关系。根据二元线性回归理论，式(8)中三参数a₁、a₂、a₃的拟合表达式为

式中

式(9)至式(11)是待定常数ΔK_th,L的函数，因此，需先求出ΔK_th,L，进而获得a₁、a₂和a₃。具体的求解方法如下：首先，令残差平方和函数