[发明专利]一种测量焊接板件垂直于焊缝方向的本征疲劳裂纹扩展速率的方法

说明书

技术领域

本发明属于固体力学领域，涉及的是一种焊接工艺引起的材料微观结构的改变对疲劳裂纹扩展速率影响的测量方法，具体是指在恒定应力强度因子变程和恒定有效应力比下测量焊接件疲劳裂纹扩展速率的方法。

背景技术

先进焊接技术由于结构重量轻，加工效率高，经济效益好等诸多优点在航空工业领域得到了广泛应用，但同时也为结构的损伤容限评估带来了新的挑战。疲劳裂纹扩展寿命预测是损伤容限评估的一项重要内容，故而研究焊接结构的疲劳裂纹扩展速率具有重要意义。

焊接工艺对结构裂纹扩展速率的影响主要体现在以下两个方面：首先，焊接过程中陡峭的热梯度以及不均匀变形会引入残余应力，从而改变结构的受力状态，影响其裂纹扩展速率。其次，焊接过程也使得材料的微观结构发生变化，晶粒的大小，材料的硬度及力学性能也会与母材不同。然而，现有的裂纹扩展寿命预测模型中只考虑了残余应力的因素，而忽略了微观结构的改变对裂纹扩展速率造成的影响，主要原因是缺少材料微观结构改变后的裂纹扩展特性的研究。测量焊接结构本征裂纹扩展速率的方法通常有两种，一种是基于塑性拉伸的方法，另一种则是基于残余应力叠加模型并与经验公式相结合的预测方法。

基于塑性拉伸的方法较为简便，即在进行疲劳试验之前，先将焊接结构拉伸2％的塑性应变来释放焊接过程引入的残余应力，从而得到仅有微观结构改变影响下的裂纹扩展速率。但此方法也有以下缺点：拉伸2％的塑性应变并不能完全释放结构中的残余应力(事实上大约释放90％)，且拉伸过程所形成的塑性区会对裂纹扩展尖端塑性区产生影响。此外，拉伸过程进一步改变了材料的微观结构。这些因素都影响了测量本征裂纹扩展速率的准确性。

Xiang Zhang和Rui Bao(参见文献[1]Zhang X,Bao R.Evaluation of the intrinsic crack growth rates of weld joints[J].International Journal of Fatigue,2011,33(4):588-596.)提出了基于残余应力叠加模型并与经验公式相结合的预测本征裂纹扩展速率的方法。它的思路是先通过基于残余应力叠加模型(参考文献[2]Glinka G.Effect of residual stresses on fatigue crack growth in steel weldments under constant and variable amplitude loads[C]//Fracture Mechanics:Proceedings of the Eleventh National Symposium on Fracture Mechanics:Part I.ASTM International,1979和参考文献[3]Parker A P.Stress intensity factors,crack profiles,and fatigue crack growth rates in residual stress fields[M]//Residual stress effects in fatigue.ASTM International,1982.)的经验公式计算获得仅有残余应力影响下的裂纹扩展速率，然后再用试验测得的焊接结构的裂纹扩展速率减去这个速率，即可获得微观结构改变对裂纹扩展速率的影响。这种方法较为复杂，而且基于经验公式的计算使得方法的准确性有待考究。

发明内容

本发明要解决技术问题为：克服现有技术的不足，提供一种测量焊接板件垂直于焊缝方向的本征疲劳裂纹扩展速率的方法，只需要在给定的恒定应力强度因子变程和恒定有效应力比条件下进行疲劳试验，即可直接获得焊接结构的本征裂纹扩展速率。

本发明提供一种测量焊接板件垂直于焊缝方向的本征疲劳裂纹扩展速率的方法，该方法步骤为：

第一步、残余应力测量：通过常用残余应力测量方法测量焊接板件纵向(平行于焊缝方向)的残余应力；

第二步、加工试件：按照裂纹扩展试验要求，将焊接板件加工为裂纹扩展方向垂直于焊缝的紧凑拉伸试件，其具体尺寸应符合测量疲劳裂纹扩展速率的标准ASTM E647的要求。

第三步、结合试件的具体尺寸，计算不同裂纹长度下残余应力应力强度因子；

第四步、通过残余应力叠加模型，并结合给定的恒定应力强度因子变程和恒定有效应力比，计算出不同裂纹长度下所应施加的外加载荷；