专利名称：一种金属材料强度性能评定方法
一种金属材料强度性能评定方法技术领域
本发明属于航空材料强度试验领域，特别是涉及到一种金属材料强度性能评定方法。
背景技术：
随着飞机结构设计思想的不断更新和演变，损伤容限设计与评定技术已广泛地用于飞机的结构强度设计，以确保飞机结构的使用安全。
飞机结构损伤容限设计理念要求所采用的材料本身能够具有相当的损伤容限能力，而结构损伤容限设计主要是利用材料的缓慢裂纹扩展特性和含裂纹结构的剩余强度。 目前被广泛应用和比较一致的认识，是采用断裂韧性来评估含裂纹材料的剩余强度，但对于裂纹扩展特性的评价仍没有形成统一的指标。并且，如何在选材过程中，综合考虑材料的静强度与损伤容限性能，国内还没有一个准确的衡量指标与方法。例如，铝合金LY12(热处理状态CZ，δ =2. 0mm, L-T向)抗拉强度σ b为459MPa，钛合金TC4热处理状态Μ, δ =2. 0mm, L-T向)抗拉强度σ b为1084MPa以及合金钢30CrMnSiNi2A (900。C加热，230° C等温， 260° C回火，L-T向)抗拉强度σ b为1603MPa ;而对于这三种材料的断裂韧度，在室温空气下，铝合金 LY12 的足c - 120MPa“，钛合金 TC4 的JTe = 188MPaVm，合金钢 30CrMnSiNi2A 的Xie = 92.3MPaV^T;分别查询三种材料裂纹扩展速率的Paris公式拟合线，在R=O. 06，对应裂纹扩展速率为10_5下，对于铝合金LY12的ΔΚ = 8:V//~V^，而对于钛合金TC4和合金钢 30CrMnSiNi2A的ΔΛ = \QMI\i、fm。从以上数据可以看出就三种材料的静强度性能而言合金钢最好，而对于其断裂韧性而言钛合金最好，但是在裂纹的稳定扩展阶段，钛合金与合金钢的裂纹扩展性能又要略好与铝合金，但这并不能说明钛合金和合金钢综合强度性能就要好于铝合金，因为钛合金和合金钢的一般工作应力比铝合金高。因此很难给出这三种材料的综合强度指标，或进行强度性能的相对性比较。发明内容
本发明的目的是提供一种能够准确评定金属材料性能的一种金属材料强度性能评定方法，能够有效地解决选材的综合评价问题。
本发明的技术方案是一种金属材料强度性能评定方法，包括以下步骤
步骤一、查阅每一种待评定材料的K。和％值，其中K。是为材料的断裂韧性，Ob 是材料的极限拉伸强度，并利用上述两个值来确定每种材料的静强度性能评定指标Zp值，
步骤二、查阅每一种待评定材料的稳定裂纹扩展阶段的da/dNlK曲线；其中da/ dN为裂纹扩展速率，ΛΚ为应力强度因子变化幅值。
步骤三、由于一般结构大部分工作应力在ob/3左右，因此对材料的裂纹扩展特性进行评价时，等幅载荷的最大应力通常取ob/3。现将步骤二中查阅得到的(1&/(^ 八1( 曲线的横坐标转换成3 Λ K/ σ b，得到da/dN 3 Λ K/ σ b曲线，即当工作应力为σ b/3时裂纹扩展速率da/dN与裂纹长度的平方根士之间的关系曲线。
步骤四、根据步骤三中得到的da/dN 3AK/0b曲线，确定裂纹扩展性能评定指标 Kp,即在裂纹扩展速率d a/d N=I X 10_5mm/次下，对应的当量裂纹扩展长度ΚΡ=3 Λ K/ σ b ;
步骤五、结合步骤一与步骤四中得到的静强度性能评定指标Zp值以及裂纹扩展性能评定指标Kp值，确定每一种待评定材料的强度综合评定指标Ld，其中根据试验结果与使用经验，按照统计规律分析结果，引入加权系数进行修正处理。静强度性能评定指标权系数取为O. 4，裂纹扩展性能评定指标权系数取为O. 6，由此计算每一种待评定材料的强度综合评定指标Ld=O. 4XZP+0. 6XKP。对于每一种待评定材料的强度综合评定指标Ld，指标Ld越大，则待评测材料的强度性能越好。
本发明的优点是本发明采用归一化处理的方法，将材料的静强度性能指标一极限拉伸强度σ b与断裂性能指标--断裂韧度K。以及材料在裂纹稳定扩展阶段的裂纹扩展速率性能指标一当量裂纹长度Kp有效地综合在一起，通过一个综合的强度指标Ld来表征。 因此，在选材过程中，就可以在面对材料静强度与损伤容限性能优劣情况不一致的条件下， 有效地解决选材的综合评价问题。本发明能够快速评价材料的静强度与损伤容限的综合性能，为飞机结构设计中材料的选择提供了一种便捷有效，又能同时涵盖静力、损伤容限两方面特性的综合评价方法，提高了工作效率和结构设计的有效性。
图I是本发明一实施方式形成的材料稳定裂纹扩展阶段da/dN ΛΚ曲线族示意图。
图2是本发明一实施方式形成的材料稳定裂纹扩展阶段da/dN 3AK/0b曲线族示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实例对本发明做进一步详细描述，请参阅图I及图2。
在飞机结构设计中，耐久性与损伤容限设计概念已经得到了广泛的应用，设计选材也越来越注重材料的损伤容限特性。但是目前国内仅能单纯依据材料的极限强度、断裂韧性与裂纹扩展速率分别进行材料断裂性能辨识，这三个指标都是独立的，很难对材料断裂特性得到一个真实的综合表征结果。
一种金属材料强度性能评定方法，包括以下步骤
步骤一、查阅每一种待评定材料的K。和％值，其中K。是为材料的断裂韧性，Ob 是材料的极限拉伸强度，并利用上述两个值来确定每种材料的静强度性能评定指标Zp值，
步骤二、查阅每一种待评定材料的稳定裂纹扩展阶段的da/dfAK曲线；其中da/ dN为裂纹扩展速率，ΛΚ为应力强度因子变化幅值。
步骤三、由于一般结构大部分工作应力在ob/3左右，因此对材料的裂纹扩展特性进行评价时，等幅载荷的最大应力通常取ob/3。现将步骤二中查阅得到的da/dN Λ K 曲线的横坐标转换成3 Λ K/ σ b，得到da/dN 3 Λ K/ σ b曲线，即当工作应力为σ b/3时裂纹扩展速率d a/dN与裂纹长度的平方根士之间的关系曲线。
步骤四、根据步骤三中得到的da/dN 3AK/0b曲线，确定裂纹扩展性能评定指标 KP,即在裂纹扩展速率d a/d N=I X 10_5mm/次下，对应的当量裂纹扩展长度ΚΡ=3 Λ K/ σ b ;
步骤五、结合步骤一与步骤四中得到的静强度性能评定指标Zp值以及裂纹扩展性能评定指标Kp值，确定每一种待评定材料的强度综合评定指标Ld，其中根据试验结果与使用经验，按照统计规律分析结果，引入加权系数进行修正处理。静强度性能评定指标权系数取为O. 4，裂纹扩展性能评定指标权系数取为O. 6，由此计算每一种待评定材料的强度综合评定指标Ld=O. 4XZP+0. 6XKP。对于每一种待评定材料的强度综合评定指标Ld，指标Ld越大，则待评测材料的强度性能越好。
实例
下面以某一实际工作中的例子为例，对本发明做进一步详细说明。
待评定的三种材料分别为铝合金LY12 (热处理状态CZ，δ =2. 0mm, L-T向)、钛合金TC4热处理状态Μ, δ =2. 0mm, L-T向)以及合金钢30CrMnSiNi2A (900° C加热，230° C 等温，260° C回火，L-T向)，按照以下步骤对上述三种待评定材料进行综合强度性能评定， 包括以下步骤
步骤一、查阅三种待评定材料的K。和σ )3值，确定每种材料的静强度性能评定指标 Zp值，Zp=Kc/ O b,具体如下表I所示；
步骤二、查阅三种待评定材料的稳定裂纹扩展阶段的da/dN ΛΚ曲线，如图I所
权利要求
1.一种金属材料强度性能评定方法，其特征在于，包括以下步骤步骤一、查阅每一种待评定材料的K。和％值，其中K。是为材料的断裂韧性，Ob是材料的极限拉伸强度，并利用上述两个值来确定每种材料的静强度性能评定指标Zp值，ZP=K。/ °b;步骤二、查阅每一种待评定材料的稳定裂纹扩展阶段的da/d^TAK曲线；其中d a/d N 为裂纹扩展速率，△K为应力强度因子变化幅值；步骤三、由于一般结构大部分工作应力在ob/3左右，因此对材料的裂纹扩展特性进行评价时，等幅载荷的最大应力取ob/3 ;将步骤二中得到的da/dN Λ K曲线的横坐标转换成3 Λ K/ σ b，得到da/dN 3 Λ K/ σ b曲线，即当工作应力为σ b/3时裂纹扩展速率d a/d N 与裂纹长度的平方根&之间的关系曲线；步骤四、根据步骤三中得到的da/dN 3 ΔΚ/σ,曲线，确定裂纹扩展性能评定指标ΚΡ，即在裂纹扩展速率d a/d N=I X 10_5mm/次下，对应的当量裂纹扩展长度ΚΡ=3 Λ K/ σ b ;步骤五、结合步骤一与步骤四中得到的静强度性能评定指标Zp值以及裂纹扩展性能评定指标Kp值，确定每一种待评定材料的强度综合评定指标Ld，其中根据试验结果与使用经验，按照统计规律分析结果，引入加权系数进行修正处理，静强度性能评定指标权系数取为O.4，而裂纹扩展性能评定指标权系数取为O. 6，有此计算每一种待评定材料的强度综合评定指标Ld=O. 4XZp+0.6XKp ;对于每一种待评定材料的强度综合评定指标Ld，指标Ld越大， 则待评测材料的强度性能越好。
全文摘要
本发明属于航空材料强度试验领域，特别是涉及到一种金属材料强度性能评定方法，包括查阅每一种待评定材料的KC和σb值的步骤、查阅稳定裂纹扩展阶段的da/dN~ΔK曲线并得到da/dN~3ΔK/σb曲线的步骤、确定裂纹扩展性能评定指标KP的步骤等。本发明采用归一化处理的方法，将材料的静强度性能指标--极限拉伸强度σb与断裂性能指标--断裂韧度Kc以及材料在裂纹稳定扩展阶段的裂纹扩展速率性能指标--当量裂纹长度KP有效地综合在一起，通过一个综合的强度指标Ld来表征。本发明能够快速评价材料的静强度与损伤容限的综合性能，为飞机结构设计中材料的选择提供了一种便捷有效，又能同时涵盖静力、损伤容限两方面特性的综合评价方法，提高了工作效率和结构设计的有效性。
文档编号G01N3/00GK102937547SQ20121045199
公开日2013年2月20日 申请日期2012年11月12日 优先权日2012年11月12日
发明者张志楠, 王新波, 秦剑波, 严红 申请人:中国航空工业集团公司西安飞机设计研究所