[发明专利]一种判定疲劳裂纹萌生寿命的试验方法

说明书

本发明公开了一种判定疲劳裂纹萌生寿命的试验方法，为确定材料在疲劳试验过程中的裂纹萌生寿命提供了一种解决方案。本发明包括一种判定疲劳裂纹萌生寿命的试验方法和一种疲劳试验过程中标准试件的预处理方法。本发明采用逆向推理方法实现疲劳裂纹萌生寿命的预测，其优点是仅用少数样本数据即可完成微观裂纹萌生寿命的预估，为实现疲劳裂纹萌生寿命预测提供了一种简单、易行、可操作的试验方法，在疲劳试验过程中可节约大量的人力、物力和财力。

技术领域

本发明涉及材料的疲劳性能测试技术领域，具体涉及一种判定疲劳裂纹萌生寿命的试验方法。

背景技术

疲劳是引起机械结构材料断裂失效的重要原因，据统计，80％以上的机械结构断裂失效是由疲劳破坏引起的。即使在低应力循环载荷作用下，材料依然会发生疲劳断裂现象。由于疲劳失效过程中材料经受的应力远小于材料的屈服强度，发生疲劳破坏前没有明显的变形和损伤，因此由疲劳引发的事故往往是灾难性的。材料在发生疲劳断裂失效过程中，疲劳裂纹通常需要经历裂纹的萌生阶段、扩展阶段和瞬间断裂阶段，其中瞬间断裂阶段在疲劳失效过程中占据的疲劳寿命极小，可忽略不计，因此材料的疲劳寿命主要取决于裂纹的萌生和扩展寿命。大量的研究发现，疲劳裂纹的萌生过程往往占据了疲劳寿命的绝大部分，但如何确定疲劳裂纹的萌生寿命仍然缺乏有效的试验方法进行量化验证。为解决上述问题，本发明提供了一种判定疲劳裂纹萌生寿命的试验方法。

发明内容

在材料发生疲劳断裂失效过程中，极难通过试验的方法实时监测疲劳裂纹的形成和演化过程，由此获得不同裂纹形成阶段所消耗的疲劳寿命。本发明采用逆向推理方法实现疲劳裂纹萌生寿命的预测，为确定材料在疲劳试验过程中的裂纹萌生寿命提供了一种解决方案。

本发明通过下述技术方案实现：

通常情况下，材料的疲劳断裂失效过程中可分为裂纹萌生阶段、裂纹扩展阶段和瞬间断裂阶段，不同裂纹形成阶段在断口形貌上呈现出各异的微观形貌特征，依此确定疲劳裂纹形成的不同阶段，不同裂纹形成阶段在断口形貌上可分为裂纹萌生区、裂纹扩展区和瞬断区。

带孔试件的疲劳裂纹均从预制孔型裂纹附近发生萌生和扩展，虽然带孔试件在疲劳试验过程中也经历了疲劳裂纹的萌生过程，但裂纹萌生过程极短，大部分疲劳裂纹并未经历裂纹萌生过程而直接从孔型裂纹周边发生扩展，预制孔型裂纹作为初始萌生裂纹而存在，疲劳寿命主要消耗在疲劳裂纹的扩展过程。在相同的拉-压循环载荷作用下，标准试件和带孔试件在裂纹扩展阶段呈现出相似的“水流状”裂纹和疲劳条纹带裂纹特征，可见两者在裂纹扩展阶段具有相似的应力场环境。

在二者具备的相似应力场环境下，进行不同应力水平条件下的疲劳试验，测得在同一应力条件下，带孔试件的疲劳寿命仅为标准试件疲劳寿命的0.03％～0.15％，断口分析得到绝大部分带孔试件疲劳裂纹并未经历裂纹萌生过程而直接从预制孔型裂纹周边发生扩展，孔型裂纹仅作为初始萌生裂纹而存在，论证疲劳寿命主要消耗在疲劳裂纹的扩展过程。分析得到微观裂纹的萌生寿命可占到总疲劳寿命的99％以上，在一条完整的疲劳寿命和疲劳强度关系S-N曲线图中同一应力条件下所述标准试件的疲劳寿命包含了裂纹萌生和扩展寿命，而标准试件的裂纹萌生寿命可通过同一应力条件下标准试件的总疲劳寿命均值减去裂纹发生扩展的疲劳寿命获得。

一种判定疲劳裂纹萌生寿命的试验方法，包括以下步骤：

S1：对标准试件进行孔型裂纹预制；

S2：预处理后，对带孔试件在QBG-100电液伺服高频疲劳试验机上进行循环应力控制的疲劳试验；

S3：生成所述带孔试件的S-N曲线并与标准试件的常规高周疲劳失效行为的S-N曲线进行对比分析；

进一步地，所述S2中，选用六根所述S1带孔试件开展六个不同应力水平条件下的疲劳试验，所述六个不同的应力水平分布在220～280MPa之间；