一種裂紋擴(kuò)展速率測(cè)試方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種裂紋擴(kuò)展速率測(cè)試方法，通過試驗(yàn)機(jī)對(duì)單邊穿透裂紋試件施加交變載荷；每間隔一定載荷循環(huán)測(cè)量一次載荷-位移曲線，對(duì)其線性段進(jìn)行擬合，得到試件無量綱柔度值；根據(jù)夾持邊界條件下，單邊穿透裂紋無量綱柔度值與裂紋長度的關(guān)系式，求得裂紋長度；記錄當(dāng)前載荷循環(huán)數(shù)，得到裂紋長度-載荷循環(huán)數(shù)曲線，確定裂紋擴(kuò)展速率；計(jì)算對(duì)應(yīng)的應(yīng)力強(qiáng)度因子，獲得離散數(shù)據(jù)對(duì)，擬合得到裂紋擴(kuò)展速率參數(shù)。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)為：適用于正、負(fù)應(yīng)力比下裂紋擴(kuò)展速率測(cè)試，可進(jìn)行裂紋長度的自動(dòng)測(cè)量；測(cè)試系統(tǒng)適用范圍廣，特別適用于金屬層合板、金屬/復(fù)合材料層合板、陶瓷基復(fù)合材料及焊接材料等新型材料的裂紋擴(kuò)展速率測(cè)試。
【專利說明】一種裂紋擴(kuò)展速率測(cè)試方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及裂紋擴(kuò)展速率測(cè)試領(lǐng)域，具體來說，是一種采用單邊穿透裂紋試件進(jìn)行裂紋擴(kuò)展速率自動(dòng)測(cè)試的方法，特別適用于新型金屬層合板、金屬/復(fù)合材料層合板、陶瓷基復(fù)合材料及焊接材料等新型材料/工藝的裂紋擴(kuò)展速率測(cè)試。
【背景技術(shù)】
[0002]交變載荷作用下的疲勞失效是飛機(jī)結(jié)構(gòu)最典型的失效形式，為了保證結(jié)構(gòu)的使用安全，要進(jìn)行結(jié)構(gòu)的損傷容限設(shè)計(jì)和分析，材料的疲勞裂紋擴(kuò)展性能是進(jìn)行結(jié)構(gòu)損傷容限設(shè)計(jì)和分析的關(guān)鍵參數(shù)，為此必須進(jìn)行材料在多種應(yīng)力比下的裂紋擴(kuò)展速率參數(shù)測(cè)試。
[0003]按ASTME647-2013((Standard Test Method for Measurement of Fatigue CrackGrowth Rates》和國標(biāo)GB/T6398— 2000《金屬材料疲勞裂紋擴(kuò)展速率試驗(yàn)方法》的要求，主要采用3種試件測(cè)試裂紋擴(kuò)展速率，這三種試件存在如下問題:
[0004](1)中心穿透裂紋試件(M⑴試件)，雖然該試件適用于全范圍(正、負(fù)應(yīng)力比)下的裂紋擴(kuò)展速率試驗(yàn)，但該試件在試驗(yàn)過程中會(huì)出現(xiàn)不對(duì)稱裂紋擴(kuò)展現(xiàn)象，導(dǎo)致試驗(yàn)數(shù)據(jù)無效；
[0005](2)緊湊拉伸試件(C(T)試件)，要求試件厚度比較大，僅能進(jìn)行正應(yīng)力比下的試驗(yàn)，無法進(jìn)行負(fù)應(yīng)力比下的裂紋擴(kuò)展速率測(cè)試；
[0006](3)三點(diǎn)彎試件(SEB(T)試件)，要求試件厚度較大，僅能進(jìn)行正應(yīng)力比下的試驗(yàn)，無法測(cè)試負(fù)應(yīng)力比下的裂紋擴(kuò)展速率。
[0007]在上述3種標(biāo)準(zhǔn)試件及對(duì)應(yīng)的測(cè)試方法中，由于中心穿透裂紋試件能進(jìn)行正、負(fù)應(yīng)力比下的試驗(yàn)，且對(duì)試件厚度沒有要求，在試驗(yàn)中得到了廣泛的應(yīng)用。但在采用中心穿透裂紋試件進(jìn)行裂紋擴(kuò)展速率測(cè)試時(shí)，特別容易產(chǎn)生裂紋不對(duì)稱擴(kuò)展的現(xiàn)象。尤其是為適應(yīng)先進(jìn)飛機(jī)結(jié)構(gòu)低重量、長壽命、高可靠性設(shè)計(jì)要求，新型材料/工藝的應(yīng)用越來越廣泛，如金屬層合板、金屬/復(fù)合材料層合板、陶瓷基復(fù)合材料、各種焊接材料等，上述新型材料/工藝若采用M(T)試件進(jìn)行裂紋擴(kuò)展速率測(cè)試，更容易產(chǎn)生不對(duì)稱裂紋擴(kuò)展現(xiàn)象，而一旦出現(xiàn)裂紋擴(kuò)展不對(duì)稱，不僅測(cè)量結(jié)果無效，由于材料/工藝成本昂貴、人力消耗大，造成了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。
[0008]目前，國內(nèi)外缺乏既可以避免試驗(yàn)中出現(xiàn)不對(duì)稱裂紋擴(kuò)展，又滿足正、負(fù)應(yīng)力比載荷作用下的裂紋擴(kuò)展速率測(cè)試方法和系統(tǒng)。為此，建立一種即能實(shí)現(xiàn)全范圍(正、負(fù)應(yīng)力比)，又能實(shí)現(xiàn)裂紋擴(kuò)展速率自動(dòng)測(cè)量的方法是目前迫切需要解決的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]為了解決上述問題，提出一種既能夠避免產(chǎn)生不對(duì)稱裂紋擴(kuò)展，又適用于正、負(fù)應(yīng)力比交變載荷作用下的裂紋擴(kuò)展速率自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)及測(cè)試方法，從而為結(jié)構(gòu)損傷容限設(shè)計(jì)和分析提供可靠的數(shù)據(jù)。
[0010]本發(fā)明一種裂紋擴(kuò)展速率測(cè)試方法，通過下述步驟完成:[0011]步驟1:試件制備；
[0012]在測(cè)試板材上加工水平單邊切口，使切口長度％與試件寬度W的比為0.2~0.3。
[0013]步驟2:測(cè)試板材的裝卡；
[0014]將步驟1中得到的具有單邊切口的測(cè)試板材直接夾持在疲勞試驗(yàn)機(jī)的上下夾頭上，并使得試件中心線與夾頭軸線重合。
[0015]步驟3:預(yù)制單邊穿透裂紋；
[0016]步驟4:安裝引伸計(jì)；
[0017]將引伸計(jì)的兩個(gè)刀口裝卡在單邊穿透裂紋試件上裂紋面上下位置。
[0018]步驟5:測(cè)量載荷-位移曲線，進(jìn)而得到裂紋長度-載荷循環(huán)數(shù)曲線；
[0019]a、通過疲勞試驗(yàn)機(jī)對(duì)單邊穿透裂紋試件施加軸向交變載荷，每間隔m個(gè)載荷循環(huán)，通過引伸計(jì)測(cè)量一次載荷-位移曲線邱為正整數(shù)；
[0020]b、將每次測(cè)量得到的載荷-位移曲線上的直線段進(jìn)行擬合，得到每次測(cè)量時(shí)，載荷-位移曲線斜率值的倒數(shù)，記為試件的柔度(V/P) i，計(jì)算得到無量綱化柔度Ui = Ε.Β.(V/P)i ;其中，i為載荷-位移曲線測(cè)量次數(shù)，E為試件材料的楊氏模量；B為試件厚度；
[0021]c、根據(jù)疲勞試驗(yàn)機(jī)夾持邊界條件下，第隊(duì)次載荷循環(huán)內(nèi)試件無量綱化柔度&與實(shí)際裂紋長度％的關(guān)系，得到對(duì)應(yīng)的裂紋長度％ ;同時(shí)記錄第i次載荷-位移曲線測(cè)量時(shí)，載荷循環(huán)次數(shù)隊(duì)；從而獲得第隊(duì)次載荷循環(huán)對(duì)應(yīng)的循環(huán)數(shù)隊(duì)與裂紋長度％數(shù)據(jù)對(duì)，由此得到裂紋長度-載荷循環(huán)數(shù)曲線；
[0022]步驟6:確定裂紋擴(kuò)展速率，并擬合得到裂紋擴(kuò)展速率參數(shù)η與C ;
[0023]根據(jù)步驟5得到的裂紋長度-載荷循環(huán)數(shù)曲線，通過割線法確定各個(gè)測(cè)量循環(huán)內(nèi)的裂紋擴(kuò)展速率:
[0024]
【權(quán)利要求】
1.一種裂紋擴(kuò)展速率測(cè)試方法，其特征在于:通過下述步驟完成:步驟1:試件制備；在測(cè)試板材上加工水平單邊切口，使切口長度％與試件寬度W的比為0.2~0.3 ;步驟2:測(cè)試板材的裝卡；將步驟1中得到的具有單邊切口的測(cè)試板材夾持在試驗(yàn)機(jī)的上下夾頭上，并使得試件中心線與夾頭軸線重合；步驟3:預(yù)制單邊穿透裂紋；步驟4:安裝引伸計(jì)；將引伸計(jì)的兩個(gè)刀口裝卡在單邊穿透裂紋試件上裂紋面上下位置；步驟5:測(cè)量載荷-位移曲線，進(jìn)而得到裂紋長度-載荷循環(huán)數(shù)曲線；a、通過疲勞試驗(yàn)機(jī)對(duì)單邊穿透裂紋試件施加軸向交變載荷，每間隔m個(gè)載荷循環(huán)，通過引伸計(jì)測(cè)量一次載荷-位移曲線為正整數(shù)；b、將每次測(cè)量得到的載荷-位移曲線上的直線段進(jìn)行擬合，得到每次測(cè)量時(shí)，載荷-位移曲線斜率值的倒數(shù)，記為試件的柔度(V/P)i，計(jì)算得到無量綱化柔度A = E.B.(V/Ph ；其中，i為載荷-位移曲線測(cè)量次數(shù)，E為試件材料的楊氏模量；B為試件厚度；c、根據(jù)疲勞試驗(yàn)機(jī)夾持邊界條件下，第隊(duì)次載荷循環(huán)內(nèi)試件無量綱化柔度A與實(shí)際裂紋長度％的關(guān)系，得到對(duì)應(yīng)的裂紋長度％ ;同時(shí)記錄第i次載荷-位移曲線測(cè)量時(shí)，載荷循環(huán)次數(shù)隊(duì)；從而獲得第隊(duì)次載 荷循環(huán)對(duì)應(yīng)的循環(huán)數(shù)隊(duì)與裂紋長度％數(shù)據(jù)對(duì)，由此得到裂紋長度-載荷循環(huán)數(shù)曲線；步驟6:確定裂紋擴(kuò)展速率，并擬合得到裂紋擴(kuò)展速率參數(shù)η與C ;根據(jù)步驟5得到的裂紋長度-載荷循環(huán)數(shù)曲線，通過割線法確定各個(gè)測(cè)量循環(huán)內(nèi)的裂紋擴(kuò)展速率:{(見以 \ _ “/? I _ “/, 1 \⑴根據(jù)疲勞試驗(yàn)機(jī)夾持邊界條件下，第隊(duì)次載荷循環(huán)的應(yīng)力強(qiáng)度因子&與實(shí)際裂紋長度￡Li的計(jì)算公式，得到:--fM{aJW)(2)竽 + f:,_6π Jo_其中，?為第隊(duì)個(gè)載荷循環(huán)與第Ni+1個(gè)載荷循環(huán)的裂紋長度算術(shù)平均值，即— 1α,.--(α,.+α?+Ι);采用Paris公式$ = C(A/0"，通過最小二乘法擬合得到裂紋擴(kuò)展速率參數(shù)η與C ；α/\
2.如權(quán)利要求1所述一種裂紋擴(kuò)展速率測(cè)試方法，其特征在于:步驟5中:第隊(duì)次載荷循環(huán)內(nèi)試件無量綱化柔度A與實(shí)際裂紋長度％的關(guān)系為:
【文檔編號(hào)】G01N3/32GK103674741SQ201310676325
【公開日】2014年3月26日 申請(qǐng)日期:2013年12月11日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月11日
【發(fā)明者】賀小帆, 楊博霄, 劉文珽, 周志強(qiáng), 吳斌, 王向明 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)