[发明专利]一种单晶超高周疲劳内部裂纹早期扩展速率定量表征方法

说明书

本发明公开了一种单晶超高周疲劳内部裂纹早期扩展速率定量表征的方法，基于特定载荷谱的超声疲劳试验，实现了“断口刻痕”，建立了一套基于断口反推的定量表征内部疲劳裂纹扩展速率的模型；该模型无需关注试验过程，仅根据疲劳断口及试验条件即可快速计算疲劳裂纹扩展速率与应力强度因子幅值的关系，进而分析疲劳裂纹扩展过程中扩展速率的变化。

技术领域

本发明属于疲劳裂纹测试领域，涉及一种单晶超高周疲劳内部裂纹早期扩展速率定量表征方法。

背景技术

镍基单晶高温合金具有高温强度高、抗氧化性强、抗疲劳性能优异等优点，是现阶段先进航空发动机涡轮叶片的选用材料。超高周疲劳失效是涡轮叶片在服役中后期面临的一个重要问题。单晶高温合金的超高周疲劳裂纹主要从铸造气孔、组织疏松、碳化物、共晶组织等内部缺陷处萌生，裂纹大多沿同一个平面扩展。研究表明，超高周疲劳裂纹的萌生阶段和早期扩展阶段消耗了疲劳寿命的绝大部分，早期裂纹扩展速率的定量表征有助于反推裂纹扩展寿命和萌生寿命。由于单晶高温合金的超高周疲劳裂纹萌生于内部，无法应用常规的表面观察法、电位降法及柔度法测量裂纹扩展速率。并且，在单晶的第一阶段扩展过程中，没有疲劳条带等典型特征，不能用基于疲劳条带的断口定量反推方法。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种单晶超高周疲劳内部裂纹早期扩展速率定量表征方法，设置特定载荷谱实现断口刻痕，对疲劳弧线到疲劳源区的距离进行测量，通过疲劳弧线来反推裂纹扩展速率，并计算不同弧线处的应力强度因子幅值，建立裂纹扩展速率与应力强度因子幅值的关系，进而反推裂纹扩展寿命和裂纹萌生寿命。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案。

一种单晶超高周疲劳内部裂纹早期扩展速率定量表征方法，包括以下步骤：

(1)设计并加工超声疲劳试件，制定特定载荷谱：σ₁/τ₁+σ₂/τ₂，σ₁和σ₂分别为高幅载荷和低幅载荷，τ₁和τ₂分别为高幅载荷和低幅载荷作用的时间，利用超声疲劳试验机对试件进行疲劳试验，试验结束后记录试件的疲劳寿命，获得疲劳断口；

(2)利用扫描电镜首先对断口宏观形貌进行拍照，其次对疲劳弧线存在的区域进行拍照；

(3)利用扫描电镜的测量工具测量各条疲劳弧线到源区的距离即疲劳裂纹的长度，记为a_i；测量相邻疲劳弧线间的距离，记为Δa_i；利用以上测量数据，通过公式(1)计算裂纹扩展速率da_i/dN：

利用公式(2)计算疲劳弧线处的应力强度因子幅值ΔK_i：

式(2)中，F指形状因子，σ_a指循环加载应力；

(4)利用步骤(3)中计算得到的数据建立da_i/dN与ΔK_i的关系：纵坐标为da_i/dN，横坐标为ΔK_i。

进一步的，低幅载荷的选取原则为该载荷对应的应力强度因子幅值ΔK_i小于疲劳裂纹扩展门槛值ΔK_th。

进一步的，所述疲劳试验的试验频率是20kHz。

本发明相对于现有技术的优点在于：基于特定载荷谱的超声疲劳试验，实现了“断口刻痕”，建立了一套在试验后通过疲劳断口反推裂纹扩展速率的方法，该方法引入了疲劳弧线，但是不影响裂纹扩展行为和扩展速率，无需关注试验过程，也不会增加超声疲劳试验装置复杂度。

附图说明