[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

说明书

本发明公开了一种轴向加载高周疲劳裂纹萌生寿命的测量方法，属于疲劳性能测试技术领域。该方法通过使用多个含不同长度裂纹的试样进行疲劳实验来模拟单个裂纹的扩展规律，最终通过用光滑试样总寿命与裂纹扩展寿命相减的方式得到疲劳裂纹萌生寿命，进而为工程设计中材料使用寿命的安全可靠性提供测试手段和相应的理论依据。

技术领域

本发明涉及疲劳性能测试技术领域，具体涉及一种轴向加载高周疲劳裂纹萌生寿命的测量方法。

背景技术

构件在受疲劳载荷时，首先会萌生微裂纹，然后裂纹会继续扩展至宏观尺寸，最终发生快速失效断裂，因此可以将疲劳过程分为裂纹萌生和裂纹扩展两个部分。疲劳寿命预测方法通常将疲劳过程分为裂纹萌生和扩展寿命分别进行预测。将裂纹萌生过程和裂纹扩展过程分开考虑是至关重要的，因为一些使用条件可能会对裂纹萌生过程有很大的影响，但对裂纹扩展的影响却微乎其微。对于裂纹扩展部分，由于宏观裂纹易于观察表征，对其的试验也较容易开展，目前已经有许多研究成果。而裂纹萌生的测试方法仍处于探索阶段，没有统一的标准。这是因为不同领域的人对其的认识存在差异，并且测量技术存在局限也给建立试验标准带来了障碍。

通常认为，高周疲劳寿命的90％以上为裂纹萌生寿命，因此通常的做法是简单地将高周疲劳测试样品的整个疲劳寿命认为是萌生寿命。但是这种做法在实际应用中会带来问题。在高周疲劳中，光滑试样萌生主裂纹的疲劳循环数占疲劳总寿命的很大一部分，此时将总寿命认为是萌生寿命误差不大。但是，如果在高应力下或者材料内部缺陷影响疲劳过程时，萌生寿命占比明显下降，此时就不能把总寿命当作萌生寿命了。另外，小样品由于其尺寸较小，样品萌生裂纹之后很快就扩展断裂，而实际构件在裂纹萌生之后还需要经历较长的扩展过程才会最终失效。因此同样不能把构件的总寿命认为是萌生寿命。总的来说，将试样的整个疲劳寿命认为是萌生寿命是不准确的。

关于小裂纹的测试和萌生寿命，目前存在如下问题：

1.小裂纹扩展不可控，随机性大：

小裂纹的扩展是由材料的微观组织特征和所受载荷在裂纹尖端作为驱动力的分解应力之间的相互作用决定的。然而材料的微观组织是不均匀的，所以从测量的角度来说，裂纹的扩展速率和扩展方向是不可控的，随机的。同时，小裂纹具有空间上的三维属性，其形状对扩展有很大影响，这导致裂纹扩展更加不可控。这就给研究裂纹扩展规律带来了困难，使得很难用数学公式去描述小裂纹的扩展规律。

2.裂纹长度不易测量：

目前人们对裂纹的测量技术一般采用复型法、电位法和长焦距显微镜观察法。而小裂纹的长度在微米级，由于上述测量技术的局限性，难以精确观察。除此之外，因为样品表面与心部的裂纹长度通常不同，所以用裂纹在试样表面的长度作为裂纹的长度也是不合理的。

3.获取萌生寿命的必要性：

人们利用各种方法来预测构件在给定载荷下的寿命，其中，工程上常用的方法是利用S-N曲线来计算总寿命。但该方法存在不足，利用S-N曲线来计算的寿命是试样的总寿命，是试样达到失效断裂的寿命，而工程上的安全寿命是指出现可见裂纹的寿命，不包括随后的裂纹扩展寿命。并且S-N曲线通常是由小尺寸的试样测试得到的，小尺寸试样在萌生裂纹后会快速断裂，其总寿命以萌生寿命为主。但是，对真实构件来说，有时裂纹扩展寿命所占的比例也很大。这样的话，通过小尺寸试样测得的寿命与真实构件的寿命是不同的。因此，在预测构件寿命时，不能简单的将构件的总寿命当作萌生寿命，准确的测量萌生寿命是必要的。

4.没有一个好的方法来预测萌生寿命：