[发明专利]双向疲劳裂纹扩展速率测试方法及测试系统

说明书

本发明涉及疲劳裂纹扩展测试技术，具体涉及双向疲劳裂纹扩展速率测试方法及测试系统。该方法在试件中心预制半圆形缺口；将试件夹持在疲劳试验机上；施加交变载荷预制疲劳裂纹；采用恒定等幅循环载荷进行疲劳裂纹扩展试验，试验中施加标识载荷，在断口留下供判读标识线；在工具显微镜下进行断口判读，获取标识线沿试件宽度方向的半长a、沿试件厚度方向的深度c，及对应的交变载荷循环数N；求取夹持边界条件下表面裂纹的应力强度因子；根据a、c和N进行裂纹扩展速率估计，确定双向疲劳裂纹扩展速率参数n_A、C_A、n_B、C_B。本方法直接断口上判读裂纹形态和尺寸，结果准确，无需额外设备，一次试验可得沿两个方向的疲劳裂纹扩展速率参数。

技术领域

本发明涉及疲劳裂纹扩展测试技术，具体而言，涉及双向疲劳裂纹扩展速率测试方法及测试系统。

背景技术

结构在使用过程中会承受长期的交变载荷作用，交变载荷作用导致结构产生疲劳裂纹，疲劳裂纹的扩展会导致结构失效，研究交变载荷作用下结构的裂纹扩展对保证结构的安全和经济性具有重要意义。

结构在使用过程中出现的典型裂纹形态有多种，可以归为3类：(1)一维裂纹，如图2a所示，为单边穿透裂纹，裂纹从边缘起裂，形成穿透裂纹，裂纹前缘平直，在垂直于载荷的方向扩展，在图2a所示坐标系下用1个量即可表征裂纹的位置和尺寸；(2)二维裂纹，如图2b所示，为中心穿透裂纹，从结构内部起裂，形成穿透裂纹，裂纹前缘平直，在垂直于载荷的方向扩展，在图2b所示坐标系下，需用两个量(中心位置和裂纹半长)确定裂纹位置和尺寸；(3)三维裂纹，裂纹前缘为曲线。如图3a～图3c所示，比较典型有表面裂纹、棱边裂纹、孔边裂纹、内部裂纹等。为描述裂纹的位置和尺寸，需用多个量表征，如表面裂纹，要定义裂纹中心，长轴和短轴长度。

由于载荷和结构形式的复杂性，结构在使用过程中一般不会出现如图2a和图2b所示的一维和二维裂纹，这两种裂纹形式主要用于研究材料的裂纹扩展规律，建立裂纹扩展分析方法。实际结构在使用过程中，在绝大多数情况下产生的是如图3a～图3c所示的三维裂纹，建立三维裂纹扩展寿命的分析方法具有十分重要的现实意义。

三维裂纹扩展分析的核心是计算三维裂纹尺寸随交变载荷作用次数的变化，材料的疲劳裂纹扩展速率参数是进行三维裂纹扩展分析的基础。众所周知，疲劳裂纹扩展速率参数的取值影响因素多：当结构几何确定后，疲劳裂纹扩展速率参数与材料取样方向有关，如L，T，S向，不同方向的裂纹扩展速率参数不同。三维裂纹往往呈现某种标准形态，如表面裂纹通常呈半椭圆形，孔边裂纹和棱边裂纹呈1/4圆或1/4椭圆，内部裂纹呈圆形或椭圆形。在裂纹中心点明确时，疲劳裂纹扩展过程中裂纹前缘形状由长轴和短轴长度确定，应取长轴、短轴两个方向的裂纹扩展速率参数进行裂纹扩展分析，因此需要明确两个方向的疲劳裂纹扩展速率参数。

为了测试得到材料的疲劳裂纹扩展速率参数，各国均开展了大量的材料疲劳裂纹扩展速率测试方法的研究，形成了标准方法，如美国ASTM E647系列，欧洲BS ISO 12108系列，我国GB/T 6398系列。在上述标准中，给出了标准试件、试验系统、裂纹长度测量方法、数据处理分析方法等，但上述标准均只能用于材料单一取样方向(简记为单向，如L-S，S-T，L-T等)的裂纹扩展速率测试。

按上述标准方法测试多个方向的疲劳裂纹扩展速率参数，会产生如下问题：

(1)多个方向的疲劳裂纹扩展速率参数只能分开测量，如果测试n个取样方向的疲劳裂纹扩展速率参数，按标准要求，则耗费的试件数和时间是单向测试的n倍，而疲劳裂纹扩展速率试验成本高，周期长，必定会消耗大量的时间、人力和物力；

(2)标准方法对试件形式、尺寸等有严格要求，测试得到的是标准规格试件的疲劳裂纹扩展速率，而实际结构的尺寸与标准材料尺寸不同，标准试件反映不了实际结构的尺寸、应力状态等；