[发明专利]一种轴向加载高周疲劳裂纹萌生寿命的测量方法

权利要求书

1.一种轴向加载高周疲劳裂纹萌生寿命的测量方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：

(1)制备包含穿透短裂纹的疲劳试样，疲劳试样的数量为10～20个，各疲劳试样中的穿透短裂纹的长度不同；

(2)包含穿透短裂纹试样的疲劳寿命测试；

(3)从疲劳试样断口测量预制裂纹的长度：经断口测量得到每个试样上预制裂纹的长度a；测量采用体式显微镜；

(4)将测得的各试样的疲劳寿命与相应的预制裂纹长度形成的若干数据点按照公式(1)进行拟合，获得拟合参数P和k的值，从而建立试样的疲劳寿命与预制裂纹长度的关系；

N＝Pa^k (1)；

公式(1)中，N为试样的疲劳寿命，a为试样所包含的穿透裂纹的长度，P和k为拟合参数；

(5)计算疲劳裂纹萌生向疲劳裂纹扩展转变的最小裂纹长度d₁以及疲劳裂纹扩展寿命N_p；疲劳裂纹萌生向疲劳裂纹扩展转变的最小裂纹长度d₁根据公式(2)进行计算；将得到的d₁代入公式(1)中得到疲劳裂纹扩展寿命N_p的计算公式(3)；

N_p＝Pd₁^k (3)；

公式(2)-(3)中，d₁为裂纹尺寸从萌生阶段向扩展阶段过渡的临界值，Y为裂纹形状因子，ΔK_eff,th为材料的本征裂纹扩展门槛值，σ_a为施加的疲劳载荷的应力幅，N_p为疲劳裂纹扩展寿命；

(6)计算疲劳裂纹萌生寿命：用光滑试样的总寿命N_f减去疲劳裂纹扩展寿命N_p即得到疲劳裂纹萌生寿命N_i；在光滑试样寿命测试中，光滑试样与包含短裂纹的试样的加载条件完全相同。

2.根据权利要求1所述的轴向加载高周疲劳裂纹萌生寿命的测量方法，其特征在于：步骤(1)中，各疲劳试样的几何形状和尺寸需要保持一致；疲劳试样为板状结构，平行段的横截面为矩形；每个试样包含的穿透裂纹的长度不同，从50μm到500μm均匀分布。

3.根据权利要求1或2所述的轴向加载高周疲劳裂纹萌生寿命的测量方法，其特征在于：步骤(1)中，包含穿透短裂纹的疲劳试样的制备过程包括如下步骤：

(a)三点弯曲试样上预制疲劳裂纹；

(b)加工单轴加载的疲劳试样：沿垂直于疲劳裂纹前沿线的方向进行线切割，得到含有穿透裂纹的具有夹持段、平行段和过度弧的疲劳试样；

(c)测量裂纹长度a₁：通过砂纸打磨去除线切割痕迹，然后使用光学显微镜观察试样的平行段处的裂纹，测量裂纹的长度为a₁；

(d)对步骤(c)测试裂纹长度a₁后的试样进行二次切割去除缺口；

(e)测量裂纹长度a₂：通过砂纸打磨去除线切割痕迹，然后使用光学显微镜观察试样的平行段处的裂纹，测量裂纹的长度为a₂；

(f)精细打磨获得目标短裂纹长度，即得到所述包含穿透短裂纹的金属材料疲劳试样。

4.根据权利要求1所述的轴向加载高周疲劳裂纹萌生寿命的测量方法，其特征在于：步骤(2)中，疲劳寿命测试的过程为：试样进行疲劳加载，至试样断裂得到寿命N；疲劳加载的载荷要在该材料的疲劳极限之上，并且载荷为拉压对称的；疲劳载荷的参数包括应力幅。

5.根据权利要求1所述的轴向加载高周疲劳裂纹萌生寿命的测量方法，其特征在于：步骤(3)中，测量预制裂纹长度的具体过程为：经疲劳寿命测试后，每一个试样失效断裂后得到两个断口；使用体式显微镜对断口进行拍照，在断口中能够清晰的分辨出预制裂纹的区域和随后的裂纹扩展区域；测量出预制裂纹区域的面积A以及试样的厚度B，然后使用面积等效的方法，将面积A除以试样厚度B即可得到该试样的穿透裂纹的长度a。

6.根据权利要求1所述的轴向加载高周疲劳裂纹萌生寿命的测量方法，其特征在于：步骤(6)中，疲劳裂纹萌生寿命N_i按照公式(4)计算；

N_i＝N_f-N_p (4)；

公式(4)中，N_i为疲劳裂纹萌生寿命，N_f为光滑试样总寿命，N_p为疲劳裂纹扩展寿命。