一种轴向加载高周疲劳裂纹萌生寿命的测量方法与流程

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：

当载荷大于材料的疲劳极限时，材料会萌生裂纹扩展至断裂，这作为判断裂纹是否会萌生的判据被广泛应用，但是，目前还没有一个好的理论和方法来预测具体萌生寿命数值。现有的方法通过定义一个裂纹萌生尺寸来定义裂纹萌生寿命。实际应用中，因为适用的问题不同，检测的手段各异，人们提出了各种各样不同的长度来定义裂纹萌生时的尺寸。这些定义的裂纹萌生尺寸从检测手段出发，而不是从疲劳的机理出发。综上，目前尚无一个好的方法来预测萌生寿命。

因此，本发明尝试提出一种简单的方法来测量材料的裂纹萌生寿命，通过试验测试得到小裂纹的扩展规律来预测其扩展寿命，然后用光滑试样总寿命减去裂纹扩展寿命的方法获得疲劳裂纹萌生寿命。目前小裂纹扩展的测量手段有复型法、电位法和长焦距显微镜观察法。其中复型法操作繁琐，并且只能测量表面裂纹；电位法需要专门的测量系统，复杂的前期校准，测量精度也受多种因素的影响；长焦距显微镜观察法同样只能测量表面裂纹，且劳动强度较大。因此开发一种简单快速测量小裂纹扩展规律的方法是本发明的核心。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种轴向加载高周疲劳裂纹萌生寿命的测量方法，该方法通过利用穿透厚度裂纹在疲劳载荷下能够稳定扩展这一特点来获取裂纹扩展规律，通过使用多个含不同长度裂纹的试样来模拟单个裂纹的方法解决短裂纹扩展测量难的问题，解决了高周疲劳裂纹萌生寿命不易测量的问题，为工程上进行全寿命设计提供萌生寿命的测量手段。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种轴向加载高周疲劳裂纹萌生寿命的测量方法，该方法包括如下步骤：

(1)制备包含穿透短裂纹的疲劳试样，疲劳试样的数量为10～20个，各疲劳试样中的穿透短裂纹的长度不同；

(2)包含穿透短裂纹试样的疲劳寿命测试；

(3)从疲劳试样断口测量预制裂纹的长度：经断口测量得到每个试样上预制裂纹的长度a；测量采用体式显微镜；

(4)将测得的各试样的疲劳寿命与相应的预制裂纹长度形成的若干数据点[疲劳寿命，预制裂纹长度]按照公式(1)进行拟合，获得拟合参数p和k的值，从而建立试样的疲劳寿命与预制裂纹长度的关系；

n＝pa^k(1)；

公式(1)中，n为试样的疲劳寿命，a为试样所包含的穿透裂纹的长度，p和k为拟合参数；

(5)计算疲劳裂纹萌生向疲劳裂纹扩展转变的最小裂纹长度d1以及疲劳裂纹扩展寿命np；

(6)计算疲劳裂纹萌生寿命：用光滑试样的总寿命nf减去疲劳裂纹扩展寿命np即得到疲劳裂纹萌生寿命ni。

上述步骤(1)中，各疲劳试样的几何形状和尺寸需要保持一致；疲劳试样为板状结构，平行段的横截面为矩形；每个试样包含的穿透裂纹的长度不同，从50μm到500μm均匀分布。上述步骤(1)中，包含穿透短裂纹的疲劳试样的制备过程包括如下步骤：

(a)三点弯曲试样上预制疲劳裂纹；

(b)加工单轴加载的疲劳试样：沿垂直于疲劳裂纹前沿线的方向进行线切割，得到含有穿透裂纹的具有夹持段、过度弧和平行段的疲劳试样；

(c)测量裂纹长度a1：通过砂纸打磨去除线切割痕迹，然后使用光学显微镜观察试样的平行段处的裂纹，测量得裂纹的长度为a1；

(d)对步骤(3)测试裂纹长度a1后的试样进行二次切割去除缺口；

(e)测量裂纹长度a2：通过砂纸打磨去除线切割痕迹，然后使用光学显微镜观察试样的平行段处的裂纹，测量得裂纹的长度为a2；

(f)精细打磨获得目标短裂纹长度，即得到所述包含穿透短裂纹的金属材料疲劳试样。

上述步骤(2)中，疲劳寿命测试的过程为：试样进行疲劳加载，至试样断裂得到寿命n；疲劳加载的载荷要在该材料的疲劳极限之上，并且载荷为拉压对称的；疲劳载荷的参数包括应力幅。

上述步骤(3)中，测量预制裂纹长度的具体过程为：经疲劳寿命测试后，每一个试样失效断裂后得到两个断口；使用体式显微镜对断口进行拍照，在断口中能够清晰的分辨出预制裂纹的区域和随后的裂纹扩展区域；测量出预制裂纹区域的面积a以及试样的厚度b，然后使用面积等效的方法，将面积a除以试样厚度b即可得到该试样的穿透裂纹的长度a。

上述步骤(5)中，疲劳裂纹萌生向疲劳裂纹扩展转变的最小裂纹长度d1根据公式(2)进行计算；将得到的d1带入公式(1)中得到疲劳裂纹扩展寿命np的计算公式(3)；

np＝pd1^k(3)；

公式(2)-(3)中，d1为裂纹尺寸从萌生阶段向扩展阶段过渡的临界值，y为裂纹形状因子，δkeff,th为材料的本征裂纹扩展门槛值，σa为施加的疲劳载荷的应力幅，np为疲劳裂纹扩展寿命。

上述步骤(6)中，疲劳裂纹萌生寿命ni按照公式(4)计算；

ni＝nf-np(4)；

公式(4)中，ni为疲劳裂纹萌生寿命，nf为光滑试样总寿命，np为疲劳裂纹扩展寿命。

上述步骤(6)中，在光滑试样寿命测试中，光滑试样与包含短裂纹的试样的加载条件完全相同。

本发明的有益效果如下：

采用本发明可以通过试验准确测量萌生寿命，一般的小裂纹扩展无规律，难以预测其扩展寿命，也就无法通过试样总寿命与扩展寿命相减的方法确定萌生寿命。采用本发明通过多个含不同长度穿透厚度裂纹的试样进行疲劳实验来模拟单个裂纹的扩展规律，克服了小裂纹扩展速率测量困难的难题，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。

附图说明

图1为三点弯曲试样上预制疲劳裂纹示意图。

图2为线切割示意图。

图3为使用线切割将缺口部分去除示意图。

图4为使用磨抛机器打磨试样示意图。

图5为试样夹持示意图。

图6为使用体式显微镜通过面积等效的方法测量预制裂纹的长度。

图7为疲劳寿命与试样所含穿透裂纹长度的关系。

图8为两个不同试样的断口形貌扫描照片。

图9为穿透厚度裂纹与材料组织的关系示意图。

图10为应力幅与临界不扩展裂纹长度的关系。

图11为使用体式显微镜通过面积等效的方法测量预制裂纹的长度。

图中：1-三点弯曲疲劳试样；2-支撑辊；3-缺口；4-裂纹；5-线切割轨迹ⅰ；6-线切割轨迹ⅱ；7-打磨面；8-疲劳机上夹头；9-疲劳机下夹头；10-单轴疲劳试样；11-穿透短裂纹。

具体实施方式

为了进一步理解本发明，以下结合实施例对本发明进行描述，但实施例仅为对本发明的特点和优点做进一步阐述，而不是对本发明权利要求的限制。

本发明为轴向加载高周疲劳裂纹萌生寿命的测量方法，该方法所使用的试样是一组包含穿透短裂纹的试样和一个光滑试样，该方法具体过程如下：

1.制备含不同长度穿透裂纹的一组疲劳试样，含穿透短裂纹的疲劳试样的制备包括如下步骤(a)-(f)：

(a)三点弯曲试样上预制疲劳裂纹：预制疲劳裂纹的具体过程为：首先加工出三点弯曲试样，用线切割方法加工出缺口，然后再在疲劳机上加交变循环载荷预制出疲劳裂纹。

(b)加工单轴加载的疲劳试样：沿垂直于疲劳裂纹前沿线的方向进行线切割，所切割出的试样的位置要距离三点弯曲试样的边缘至少1mm，保证不包含裂纹两端的塑性区。切割后得到含有穿透裂纹的具有夹持段、过度弧和平行段的疲劳试样；

(c)测量裂纹长度a1：通过砂纸打磨去除线切割痕迹，然后使用光学显微镜观察试样的平行段处的裂纹，测量得裂纹的长度为a1；使用砂纸打磨时不能破坏试样的几何形状；同时，打磨的方向要垂直于裂纹开裂的方向；使用光学显微镜观察测量的裂纹长度是从裂纹尖端到缺口所在的边缘的长度。

(d)对步骤(3)测试裂纹长度a1后的试样进行二次切割去除缺口；所述二次切割是指，通过线切割切除宽度为a1-1mm的部分，去除缺口，留下一条真实的裂纹；切割的路线要保证与相对于缺口的另一面平行(即切割方向与裂纹方向相垂直)。

(e)测量裂纹长度a2：通过砂纸打磨去除线切割痕迹，打磨时保证试样的横截面为矩形，不能破坏试样的几何形状。同时，打磨的方向要垂直于裂纹开裂的方向。使用光学显微镜观察测量的裂纹长度是从裂纹尖端到裂纹穿透所在边缘的长度。使用光学显微镜观察试样的平行段处的裂纹，测量得裂纹的长度为a2；

(f)精细打磨获得目标短裂纹长度：精细打磨过程中，先确定需要的短裂纹长度为a；使用螺旋测微计测得此时试样的宽度为w；打磨试样被裂纹穿过的一面直至试样的宽度为w-(a2-a)，打磨的方向垂直于裂纹扩展的方向；打磨后即得到所述包含穿透短裂纹的金属材料疲劳试样。所制备的含穿透短裂纹的金属材料疲劳试样为含任意长度穿透短裂纹的板状单轴疲劳试样，包括夹持段、过度弧以及平行段，其中短裂纹都位于非过渡弧所在面的平整的面上。

采用上述方法制备一组疲劳试样，数量为10～20个，试样的几何形状和尺寸需要保持一致。试样为板状试样，平行段的横截面为矩形。每个试样包含的穿透裂纹的长度不同，从50μm到500μm均匀分布。因为穿透厚度裂纹有“平均效应”，因此可以克服裂纹在扩展时的不可控，随机性大的问题。

2.含穿透短裂纹的各疲劳试样经疲劳加载至试样断裂得到寿命n。疲劳加载的载荷要在该材料的疲劳极限之上，并且载荷为拉压对称的。疲劳载荷的各项参数包括不限于应力幅，频率等一旦确定，在整个测试过程中将不再变化。疲劳加载时，

3.经断口测量得到每个试样所包含的预制裂纹的长度a：经步骤(2)疲劳加载的试样失效断裂后得到两个断口，使用体式显微镜对断口进行拍照，在断口中可以清晰的分辨出预制裂纹的区域和随后的裂纹扩展区域。测量出预制裂纹区域的面积a以及试样的厚度b，如图6所示。使用面积等效的方法，将面积a除以试样厚度b即可得到该试样包含的穿透裂纹的长度a。通过在断口上测量得到等效裂纹长度的方法，解决了短裂纹长度测量难的问题。

4.通过拟合n-a的关系得到公式。拟合所用到的公式为公式(1)：

n＝pa^k(1)；

式中n为试样的疲劳寿命，a为步骤3中获得的试样所包含的穿透裂纹的长度，p、k为拟合参数。疲劳寿命与试样所含穿透裂纹长度的关系如图7所示，可以看出n与a具有很好的幂函数关系，所以可以用幂函数去拟合进而预测裂纹的扩展寿命。通过使用多个样品模拟一条裂纹的方法，再配合步骤3的测量等效裂纹长度的方法，解决了短裂纹扩展速率测量难的问题。

5.计算疲劳裂纹萌生向疲劳裂纹扩展转变的最小裂纹长度d1以及疲劳裂纹扩展寿命np；

将d1带入公式(1)中得到扩展寿命np。d1的计算通过公式(2)：

公式(2)中，d1为裂纹尺寸从萌生阶段向扩展阶段过渡的临界值，y为裂纹形状因子，δkeff,th为材料的本征裂纹扩展门槛值，σa为施加的疲劳载荷的应力幅。其中δkeff,th和y可以从文献中查询获得。其中，d1为疲劳裂纹萌生向疲劳裂纹扩展转变的最小裂纹长度，也就是说裂纹长度小于d1时公式(1)将不再适用。将计算所得的d1带入公式(1)中得到如下公式(3)：

np＝pd1^k(3)；

式中np为疲劳裂纹扩展寿命。通过分析疲劳机理，得到了定义疲劳裂纹萌生尺寸方法和计算方法，解决了没有统一的疲劳裂纹萌生尺寸的问题。

6.用光滑试样的总寿命nf减去疲劳裂纹扩展寿命np得到疲劳裂纹萌生寿命ni。其中光滑试样是指不包含裂纹的试样，其几何形状与尺寸步骤1中的试样完全相同。该试样经疲劳加载至断裂得到总寿命nf。其中的疲劳载荷与步骤2中完全相同。np为步骤5中得到的疲劳裂纹扩展寿命。

本发明所依据的科学原理如下：

1.可以使用多个含不同长度裂纹的样品去模拟一条裂纹的扩展行为：

本方法通过使用多个含不同长度裂纹的样品去模拟一条裂纹的扩展行为，最终得到裂纹长度与剩余寿命的关系。通过观察所有样品的疲劳断口，如图8所示，图中给出了不同试样的断口形貌扫描照片，其中左右两列为不同的两个试样。可以看出含不同长度裂纹的两个试样其裂纹扩展所留下的断口表面形貌是相同的，均为类似河流状的花样，其方向大致沿着裂纹的扩展方向。因此使用多个含不同长度裂纹的试样去拟合单个裂纹的扩展规律是可行的。

2.穿透厚度裂纹可以稳定扩展：

传统理论认为，适用于长裂纹的线弹性断裂力学理论不再适用于短裂纹，短裂纹的扩展行为不能用paris公式来描述，并且，短裂纹的扩展呈现与长裂纹完全不同的规律，在同样的名义驱动力下具有比长裂纹高得多的扩展速率。线弹性断裂力学理论认为可以使用裂纹尖端应力强度因子δk来描述裂纹扩展的驱动力。δk的计算公式为公式(5)。

其中y为裂纹形状因子，σa为所施加的疲劳载荷的应力幅，a为裂纹的长度。当δk的值相同时，长裂纹所受的载荷较小，短裂纹所受的载荷较大，甚至接近材料的屈服极限。这时候再使用应力强度因子的方法去比较他们的扩展规律就显得变得不合理。因此，需要一种新的理论和公式来描述短裂纹的扩展规律。本发明通过研究短裂纹的扩展规律发现，在疲劳载荷不变的情况下，预制裂纹的长度与剩余寿命的关系可以使用幂函数来拟合，如图7所示。

从图中可以看出，裂纹从短到长，稳定扩展。这是因为穿透短裂纹的前沿经过了多个晶粒，如图9所示。图中给出了穿透厚度裂纹与材料组织的关系示意图。从图中可以看到穿透厚度的裂纹的前沿穿过了多个晶粒，虽然在各个晶粒内部裂纹的扩展速率各不相同，但从整体来看，裂纹的前沿大致保持一条直线向前稳定扩展。因此穿透厚度短裂纹表现出不受微观组织的影响而稳定扩展的特性。

3.裂纹的稳定扩展存在一个的裂纹长度下限：

如图10所示，图中给出了含给定长度裂纹的试样在给定的疲劳载荷应力幅下裂纹是否扩展的关系示意图。通过降低载荷，一条正在扩展的裂纹最终会停止扩展。同样的，通过增加载荷，一条不扩展的裂纹最终会开始扩展。也就是说，在固定载荷下，存在着一个临界不扩展的裂纹尺寸。随着载荷应力幅的增加，临界不扩展裂纹的尺寸减小。

当应力幅增加到疲劳极限σe的时候，临界不扩展裂纹的尺寸为d1。当应力幅继续增加，超过疲劳极限的时候，理论上不存在不会扩展的裂纹。但是当裂纹非常短，与微观组织结构的尺度相近的时候，裂纹的扩展受到微观组织的影响比较大，裂纹的扩展不再表现出稳定扩展的特征，扩展速率出现波动。此时将d1作为裂纹稳定扩展的长度下限是保守的。其中d1的计算公式为：

δkeff,th为材料的本征裂纹扩展门槛值，y为裂纹形状因子，σa为施加的疲劳载荷的应力幅。

实施例1：

定义t250(无钴)马氏体时效钢在施加疲劳载荷为630mpa时的萌生寿命及其测量过程，具体包含如下步骤：

1.制备含不同长度穿透裂纹的一组共10个疲劳试样。每个试样包含的穿透裂纹的长度不同，从45μm到459μm不等。含穿透短裂纹的疲劳试样的制备过程如下：

首先，在三点弯曲试样预制疲劳裂纹：

将经热处理后的原始坯料加工成带缺口3的三点弯曲试样1，缺口形状如图1所示。加载示意图如图1所示，加载时以支撑辊2支撑，测试裂纹4终止长度。

其次，对含裂纹的三点弯曲试样进行线切割加工切片：

将疲劳过后带有裂纹的三点弯曲试样进行切割切片，线切割轨迹ⅰ如图2所示，得到带有夹持段、过度弧和平行段的单轴疲劳试样的初始坯料。

再次，单轴疲劳试样坯料切割：

先使用砂纸打磨坯料除缺口处之外的所有表面，去除线切割痕迹。然后，使用光学显微镜测量裂纹尖端到缺口所在的边缘处的距离a1。通过线切割切除宽度为a1-1mm的部分，线切割轨迹线切割轨迹ⅱ如图3所示。去除缺口后留下一条真实的裂纹。

最后，精细打磨：

首先，使用砂纸打磨裂纹所在的表面(即打磨面7)，去除线切割痕迹。然后，使用光学显微镜测量裂纹尖端到裂纹所在的边缘处的距离a2。接着，确定需要的短裂纹长度为a；使用螺旋测微计测得此时试样的宽度为w；最后，打磨裂纹所在的面，直至试样的宽度为w-(a2-a)。

2.经疲劳加载至试样断裂得到寿命n：试样的夹持示意图如图5所示。试验时，所制备的带有穿透短裂纹11的单轴疲劳试样10固定在疲劳机上夹头8和疲劳机下夹头9之间。疲劳加载的载荷为630mpa，并且载荷为拉压对称的。疲劳载荷的其他参数为：频率30hz，波形图为正弦波。在这一组共10个试样的测试过程中疲劳载荷的各项参数不变。

3.经断口测量得到每个试样所包含的预制裂纹的长度a。使用体式显微镜将断口照片拍下，如图11所示，从图中可以看出预制裂纹区域与随后的裂纹扩展区域有着明显的不同。因此可以在图中直接测量得到预制裂纹区域的面积。使用软件测量预制裂纹区域的面积a，以及试样的厚度b。通过面积等效的方法即可得到穿透短裂纹的长度a。

4.通过拟合得到n-a的关系式，拟合结果如公式：

n＝4.98×10⁶a^-1.18(6)；

试样测试结果以及拟合结果如图7所示。

5.将d1带入上述公式中得到扩展寿命np。经文献查询得到该材料的δkeff,th，即本征裂纹扩展门槛值为2.5mpa.m^1/2。裂纹形状因子y取1.12。由公式(2)计算可得d1＝4μm。然后将d1带入公式(6)可得np＝9.7×10⁵。

6.用光滑试样的总寿命nf减去扩展寿命np得到ni。其中光滑试样所受的疲劳载荷与步骤2中含穿透短裂纹的试样所受的疲劳载荷完全相同。试验结果nf＝2.68×10⁶周，因此ni＝2.68×10⁶-9.7×10⁵＝1.71×10⁶周。即，t250(无钴)马氏体时效钢在施加疲劳载荷为630mpa时的萌生寿命为1.71×10⁶周。

本实施例中，图7给出了含不同长度穿透厚度裂纹的试样在同一疲劳载荷下的剩余寿命的关系。通过公式(1)拟合的到裂纹扩展规律的数学表达式，通过公式(2)计算得到裂纹稳定扩展的裂纹长度的下限，最终得到试样的疲劳裂纹扩展寿命为1.71×10⁶周。通过对相同尺寸形状的光滑疲劳试样进行相同载荷下的疲劳试验得到试样的总寿命，即可得到试样的疲劳裂纹萌生寿命，结果如表1所示。

表1预测的扩展寿命与萌生寿命

采用本发明提出的方法，可以通过简单试验获得金属材料在轴向加载的方式下的疲劳裂纹萌生寿命，可以满足人们对疲劳裂纹萌生寿命研究的需求。