采用不对称裂纹测试疲劳裂纹扩展速率的方法
【专利摘要】本发明涉及疲劳裂纹扩展测试技术，具体涉及采用不对称裂纹测试疲劳裂纹扩展速率的方法。其包括：在试件工作段加工沿X轴不对称缺口；将含不对称缺口试件夹持在疲劳试验机上进行疲劳裂纹扩展试验；测量不对称裂纹左、右裂尖扩展信息；对左、右裂尖分别预估疲劳裂纹扩展速率，计算夹持边界条件下不对称裂纹左、右裂尖的应力强度因子变程；分别求取材料的疲劳裂纹扩展速率参数CA、nA和CB、nB。其解决了M(T)试件出现不对称裂纹后数据无效问题；左、右裂尖应力强度因子变程不同，疲劳裂纹扩展速率也不同，与M(T)试件对称裂纹相比，数据量增加，有效信息增加；可合理配置不对称缺口的位置和尺寸，实现全范围疲劳裂纹扩展速率测试。
【专利说明】
采用不对称裂纹测试疲劳裂纹扩展速率的方法
技术领域
[0001] 本发明涉及疲劳裂纹扩展测试技术，具体而言，涉及采用不对称裂纹测试疲劳裂 纹扩展速率的方法。
【背景技术】
[0002] 重复载荷作用下的疲劳/断裂是飞行器结构最主要的失效形式，为了保证结构的 使用安全和经济性，现代先进飞行器结构普遍采用耐久性/损伤容限思想进行结构设计。按 该设计思想要求，在结构设计阶段，要进行疲劳裂纹扩展分析和损伤容限试验以确定结构 检修间隔，而材料的疲劳裂纹扩展速率是进行疲劳裂纹扩展分析的基本性能参数。为此，自 20世纪50年代开始，国内外开展了大量的材料疲劳裂纹扩展速率测试方法研究，形成了疲 劳裂纹扩展速率测试标准方法，如美国ASTM E647系列，欧洲BS ISO 12108系列，我国GB/T 6398系列，在上述标准中，规定了试件形式，疲劳裂纹长度测量方法和数据处理方法。
[0003] 疲劳裂纹扩展速率测试标准中给出了 3种典型的试件:标准紧凑拉伸C(T)试样、标 准中心拉伸M (T)试样、标准单边缺口三点弯曲SE (B)试样。其中，C (T)试样和SE (B)试样不能 用于负应力比(R〈〇)下的疲劳裂纹扩展速率试验。而Μ(Τ)试样可用于正、负应力比下的疲劳 裂纹扩展速率试验，适用范围广，得到了普遍应用。
[0004] 疲劳裂纹长度测量方法主要有：目测法、电位法和柔度法。目测法通常使用数码显 微镜将试件表面放大，将数字信号传输至电脑，在显示窗口中显示出试件表面的图像，通过 移动显微镜使图像显示的裂纹尖端与预设标线重合，在光栅数显表上读出显微镜的位置， 即为裂纹尖端的坐标。目测法操作简单、直观，精度高，对设备要求不高。电位法可以测得穿 透裂纹长度，试验过程中不需要人为操作，但电位法测量精度容易受外界干扰，对线路干扰 特别明显，而且试验前需要进行标定，标定过程复杂，结果不可靠;试验结束后需要进行裂 纹前缘曲率修正。柔度法可以适用于不同的测量环境和试验材料，但是柔度法存在如下问 题:对试验机的要求较高;实验前需要进行弹性模量标定，标定过程比较复杂，标定结果不 唯一，与载荷和裂纹长度有关;试验结束后需要进行裂纹前缘曲率修正。另外，电位法和柔 度法存在更为严重的问题:对C(T)试件和SEB(T)试件，一旦裂纹扩展不沿对称面方向，则电 位法和柔度法失效;对M(T)试件，按标准要求，一旦裂纹扩展不对称，则测试方法失效。与电 位法和柔度法相比，目测法的测量结果更加真实准确，对C(T)、SEB(T)试件，如果采用目测 法，即使裂纹扩展偏斜，也能进行数据的处理分析，但是对目前实验室广泛采用的M(T)试 件，当裂纹扩展不对称时，按照ASTM等标准，此时记录的裂纹扩展数据只能作为无效数据处 理。试验发现，即使是传统的广泛使用的金属材料，采用M(T)试件进行疲劳裂纹扩展速率测 试时，也会产生裂纹扩展不对称的现象。而随着各种新型材料的出现，如金属层合板，3D打 印金属材料、单晶材料、金属基复合材料，越来越多的出现疲劳裂纹不对称扩展的现象，如 果按标准要求认为结果无效，势必造成大量的人力和物力的浪费。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于提供一种采用不对称裂纹测试疲劳裂纹扩展速率的方法，不仅 可以解决现有测试标准中无法有效利用Μ(τ)试件不对称裂纹扩展数据的问题;而且，左、右 裂尖应力强度因子变程不同，疲劳裂纹扩展速率也不同，与M(T)试件对称裂纹相比，不对称 裂纹有效数据量增加1倍，有效信息明显增加，可节约试件和人力、财力;还可通过合理配置 不对称缺口的位置和尺寸，实现全范围疲劳裂纹扩展速率的测试。
[0006] 本发明涉及一种采用不对称裂纹测试疲劳裂纹扩展速率的方法，其包括：
[0007] 采用等厚度直条形试件，在试件工作段加工沿X轴的不对称缺口；
[0008] 将带有不对称缺口的试件夹持在疲劳试验机的夹头上，缺口到上夹头、下夹头的 距离相同；使加载方向垂直于缺口表面，然后施加等幅疲劳载荷，进行疲劳裂纹扩展试验；
[0009] 测量不对称裂纹扩展的信息，并记录疲劳载荷作用次数N，所述信息包括:试件在X 轴方向的半宽W、试件工作段的长度L、右裂纹尖端A的坐标a A、左裂纹尖端B的坐标aB;
为右裂纹尖端、左裂纹尖端的权函数，用于求取夹持边界条件下不对称裂纹右裂尖应力强 度因子Ka和左裂尖应力强度因子Kb;
[0012] 计算右裂尖、左裂尖的应力强度因子变程Δ Κα、Δ Kb，计算公式为Δ Ka = Ka(1-R)、 AKb = Kb(1-R)，其中，R为应力比；
[0013]分别预估不对称裂纹右裂尖、左裂尖的疲劳裂纹扩展速率(da/dN)A、（da/dN)B;
[0014] 根据所述Δ KA、所述(da/dN)A，所述Δ KB、所述(da/dN)B分别求取材料的疲劳裂纹 扩展速率参数CA、n A和CB、nB。
[0015] 在一些实施例中，优选为，所述试件为等厚度板；不对称缺口中心偏离试件中心 线;所述不对称缺口的加工方式为线切割。
[0016] 在一些实施例中，优选为，在所述疲劳裂纹扩展速率测试中，采用目测法测量疲劳 裂纹尺寸;所述方法还包括:定期在裂纹尖端涂抹着色液。
[0017] 在一些实施例中，优选为，所述测量不对称裂纹扩展的信息包括：
[0018] 观察通过数码显微镜放大的裂纹；
[0019] 移动所述数码显微镜，使所述放大的裂纹的尖端与预设标线重合；
[0020] 将所述疲劳试验机的试验频率降低，在光栅数显尺上读出右裂纹尖端A、左裂纹尖 端B的坐标aA、aB。
[0021] 在一些实施例中，优选为，求取夹持边界条件下不对称裂纹右裂尖应力强度因子 Ka、左裂尖应力强度因子Kb包括：
[0022] 根据夹持边界条件的特点和试件本身关于Y轴刚度不对称的特点，建立不对称裂 纹应力强度因子求解的等效模型；
[0023]根据裂纹体的应变能、附加弯矩，及自由均匀拉伸条件下的应力强度因子Kc/A，B)、 纯弯载荷下的应力强度因子Km(a，b)，基于所述等效模型获取Ka、Kb。
[0024] 在一些实施例中，优选为，所述等效模型为：
[0025] 将夹持边界条件等效为自由均匀拉伸〇和纯弯载荷Μ的共同作用，并且使得试件端 部Χ-Υ平面内的转角等于0;
[0026] k(a>b)=k〇(a)b)+Km(a,b) 〇
[0027] 在一些实施例中，优选为，所述自由均匀拉伸条件下的应力强度因子Kc/A，B)的求取 方式为：
[0029] σ(χ)为无裂纹体在自由均匀拉伸应力〇下假想裂纹面的Y向应力分布， 〇 = P/S，P为 载荷，S为试件的横截面积;σ(χ) = σ，χ为积分坐标。
[0030]在一些实施例中，优选为，所述纯弯载荷作用下应力强度因子Κμ(Α，β)的求取方式 为：
[0032] 〇Μ(χ)为无裂纹体在远场纯弯载荷Μ作用下假想裂纹面的Υ向应力分布;假定试件 厚度为单位厚度
Μ为纯弯载荷。
[0033]在一些实施例中，优选为，所述(da/dN)A、所述(da/dN)B的预估方法为：
[0034]
，其中，分别表示第i次判读得到的右裂纹尖端A、左裂 纹尖端B的坐标，Κ、Ν1+1分别表示第i次和第i+Ι次判读裂纹时记录的载荷循环数；
[0035] 或
[0037]
9 S &，下标n在7点拟合中等于 3,在5点拟合中等于2;系数Hbs是以在区间[ai-n，a1+n]按裂纹长度观测值与拟合值之间 的偏差平方和最小为原则确定的回归参数;拟合值?是对应于载荷循环数心的拟合裂纹长 度;参数CjPC2用于变换输入数据。
[0038] 在一些实施例中，优选为，所述材料疲劳裂纹扩展速率参数CA、nA和CB、n B的求取方 法包括：
[0039] 确定给定应力比下疲劳裂纹扩展速率的方程：
[0040]
1数据进行线性拟合，确定材 料的疲劳裂纹扩展速率参数CA、nA和CB、nB。
[0041] 本发明实施例提供的一种采用不对称裂纹测试疲劳裂纹扩展速率的方法，与现有 技术相比，考虑到加载过程中，试件的两端不是自由的，而是通过夹块夹持在试验机上下夹 头上，夹块会约束试件端部X方向的位移和X-Y平面内的转动，而且试件本身关于Y轴刚度不 对称，故建立应力强度因子求解的等效模型，以求取夹持边界条件下不对称裂纹右裂尖应 力强度因子Ka、左裂尖应力强度因子K B，分别计算得到右裂尖、左裂尖的疲劳裂纹扩展速率 (da/dN)A、（da/dN) B，及夹持边界条件下右、左裂尖的应力强度因子变程，然后用Paris公式 描述疲劳裂纹扩展速率，通过数据拟合得到材料的疲劳裂纹扩展速率参数C A、nA和CB、nB。
[0042] 对含有不对称缺口的试件进行疲劳裂纹扩展速率测试，采用光栅数显尺读取裂尖 的位置，适用于不对称裂纹扩展信息的测量。
【附图说明】
[0043] 图1为本发明一个实施例中采用不对称裂纹测试疲劳裂纹扩展速率的方法的步骤 示意图；
[0044] 图2为本发明一个实施例中含不对称裂纹的试件的示意图；
[0045] 图3为本发明试件表面裂纹判读界面示意图；
[0046] 图4为等效模型示意图。
【具体实施方式】
[0047] 下面通过具体的实施例结合附图对本发明做进一步的详细描述。
[0048] 考虑到尚不存在采用不对称裂纹进行疲劳裂纹扩展速率测试的方法，本发明提供 了一种采用不对称裂纹测试疲劳裂纹扩展速率的方法。
[0049] 该方法包括：
[0050] 采用等厚度直条形试件，在试件工作段加工沿X轴的不对称缺口；
[0051] 将带有不对称缺口的试件夹持在疲劳试验机的上下夹头上，缺口到上夹头、下夹 头的距离相同，使加载方向垂直于缺口表面，即加载方向平行于Y轴，然后施加应力比为R的 等幅疲劳载荷，进行疲劳裂纹扩展试验；
[0052] 测量不对称裂纹扩展的信息，并记录疲劳载荷作用次数N;所述信息包括:试件在X 轴方向的半宽W、试件工作段的长度L、右裂纹尖端A的坐标a A、左裂纹尖端B的坐标aB;
[0053]
，其 中，a为裂纹半长，a=(aA_aB)/2，
为右、左裂纹尖端权函数，用于求取夹持边界条件下不对称裂纹右裂尖应力强度因子KA、左 裂尖应力强度因子Kb;
[0055] 计算右、左裂尖的应力强度因子变程Δ Κα、Δ Kb，计算公式为Δ Ka=Ka(1-R)、Δ KB = Kb(I-R)，其中，R为应力比；
[0056] 分别预估不对称裂纹右裂尖、左裂尖的疲劳裂纹扩展速率(da/dN)A、（da/dN) B， [0057]根据所述△ Ka、所述(da/dN) A、所述a Kb、所述(da/dN)B分别求取材料的疲劳裂纹 扩展速率参数CA、nA和C B、nB。
[0058] 对含有不对称缺口的试件进行疲劳裂纹扩展速率测试，采用光栅数显尺读取裂尖 的位置，适用于不对称裂纹扩展信息的测量。考虑到加载过程中，试件的两端不是自由的， 而是通过夹块夹持在试验机上下夹头上，夹块会约束试件端部X方向的位移和X-Y平面内的 转动，而且试件本身关于Y轴刚度不对称，故建立应力强度因子求解的等效模型，以求取夹 持边界条件下不对称裂纹右裂尖应力强度因子KA、左裂尖应力强度因子K B，分别预估右裂 尖、左裂尖的疲劳裂纹扩展速率(da/dN)A、（da/dN)B，及计算夹持边界条件下右、左裂尖的应 力强度因子变程，然后用Paris公式描述疲劳裂纹扩展速率，通过数据拟合得到材料的疲劳 裂纹扩展速率参数C A、nA和CB、nB。
[0059] 接下来对技术进行详细说明：
[0060] -种采用不对称裂纹测试疲劳裂纹扩展速率的方法，如图1所示，包括如下步骤： [0061 ] 步骤101，制造含不对称缺口的试件；
[0062]采用等厚度板加工试件，采用线切割方式，在试件工作段加工沿X轴的不对称缺 口，如图2所示。
[0063]步骤102,进行不对称裂纹的疲劳裂纹扩展速率测试
[0064] 将试件固定到疲劳试验机上进行疲劳裂纹扩展速率测试，在本实施例中，采用的 疲劳试验机是MTS 880电液伺服疲劳试验机，动载误差小于2%，静载误差小于1 %，符合GB/ T16825和JJG556的标准要求。
[0065] 疲劳裂纹扩展试验在室温大气环境下进行，试件直接夹持在试验机的上下夹头 上，采用轴向加载方式，正弦波，试验频率f = 5~30赫兹。
[0066] 在疲劳裂纹扩展测试中，按照事先确定的读数间隔测量裂纹尺寸，并记录载荷循 环次数。使用判读系统进行裂纹直读，该判读系统由电移台控制器、0ISC033步进电机控制 器、光栅数显尺、数码显微镜等组成，数码显微镜对准试件上的裂纹，数码显微镜与电脑连 接，将放大的裂纹图像传输至电脑，电脑的显示窗口显示出放大的裂纹图像。其中步进电机 带动数码显微镜移动，通过移动显微镜，使显示的裂纹尖端与预设标线重合，然后裂纹尖端 的位置由光栅数显尺上读出。其中如图2所示，需要记录的尺寸包括:试件半宽W、试件工作 段的长度L;右、左裂纹尖端A、B的坐标a A、aB(原点与试件中心线重合，试件中心线与Y轴重 合）。同时记录疲劳载荷作用次数N。
[0067] 需要注意以下两点：
[0068] 第一点，为了能够更准确的确定裂纹尖端，判读裂纹时采用降频方法，即在判读裂 纹时将试验频率降低至f = 1Ηz。
[0069] 第二点，为了减少由于裂纹闭合导致裂纹尖端判断不清楚带来的误差，见图3所示 的表面裂纹判读界面，试验过程中采用无腐蚀性的着色液定期涂抹在裂纹尖端。
[0070] 步骤103,求取夹持边界条件下不对称裂纹右裂尖应力强度因子KA、左裂尖应力强 度因子Kb;
[0071]本步骤可拆分为如下步骤：
[0072]步骤103-1，在求取前，研究试验机夹持边界条件的特点：
[0073] 1)试件长度有限，不是在无穷远处加载；
[0074] 2)加载方式并不是两端自由均匀加载。试件是通过夹块夹持在试验机上下夹头上 的，上下夹头各有两个夹块，通过夹块与试件夹持端的静摩擦施加纵向拉压载荷。夹块会约 束含不对称裂纹试件端部的X方向的位移和X-Y平面内的转动。
[0075] 3)由于机架的约束，夹具只能沿轴向运动。
[0076] 由于不对称裂纹的存在，裂纹体关于Y轴刚度不对称，在夹持边界条件下受到拉伸 载荷作用时，刚性夹头约束相当于施加了额外的弯矩，从而建立应力强度因子求解的等效 模型。该等效模型为：
[0077]将夹持边界条件等效为自由均匀拉伸和纯弯载荷共同作用，使得试件端部的转角 等于0,如图4所示，端部X方向的位移=0,端部X-Y平面内的转角=0,端部Y方向的位移一 致，σ = P/S，P为施加的载荷，S为试件的横截面积；
[0078]根据线弹性体的叠加原理，右、左裂尖的应力强度因子的表达式： 尺= 尤fin。是自由均匀拉伸条件下右、左裂纹尖端的应力强度因子， 是纯弯载荷作用下右、左裂纹尖端的应力强度因子。
[0079]步骤103-2,求取自由均匀拉伸条件下的应力强度因子
[0080]采用权函数法给出不对称裂纹在自由均匀拉伸条件下应力强度因子的近似解， 右、左裂纹尖端应力强度因子的表达式为：
[0082]式中，σ(χ)为无裂纹体在均匀拉伸应力σ下假想裂纹面的Y向应力分布，〇 = P/S，P 为载荷，S为试件的横截面积;σ (X) = σ，aA、aB为右、左裂纹尖端A、B的坐标(原点与试件中心 线重合），X为积分坐标，111(^( &1&8^)为右、左裂纹尖端的权函数，其表达式为：
[0084] 式中，/?43为自由均匀拉伸条件下不对称裂纹应力强度因子的修正因子；
[0085] ^=&儿1，^ =叉，，￥为半板宽，系数成0，爲0，爲￥，处' 爲￥，允^ 达式如下：
[0098]其中，a=(aA-aB)/2，e = (aA+aB)/2，a = a/W，e = e/W，A=a/(W_e) 〇 当偏心距e>0时，
[om]表1系数的值
[0117]步骤103-3,求取纯弯载荷作用下不对称裂纹的应力强度因子
[0118]纯弯载荷作用下的应力强度因子，其形式如下：
[0120]式中：〇M(x)为无裂纹体在纯弯载荷Μ作用下假想裂纹面的Y向应力分布，假定试件 厚度为单位厚度，σΜ(Χ)的表达式为：
[0122]由此可得在纯弯载荷Μ的作用下，不对称裂纹两裂尖的应力强度因子：
[0124] 步骤103-4,基于等效模型的不对称裂纹的应力强度因子求解
[0125] (1)附加弯矩求解
[0126] 1)裂纹体的应变能
[0127] 由能量原理可知，裂纹体在自由均匀拉伸和纯弯载荷共同作用下的应变能V包含 两部分，一部分为裂纹面的表面能U，另一部分为无裂纹体在受到与裂纹体相同载荷时的应 变能Vo，即
[0128] V = U+Vo (8)
[0129] 假定试件厚度为单位厚度，裂纹面表面能的表达式为
[0131 ]式中，a为裂纹半长，G(x)为能量释放率，其表达式为
[0133] 式中，E为等厚板的弹性模量。
[0134] 对于线弹性体，Vo的表达式如下：
[0136] 式中，Σ为积分区域，取为整块板;〇是自由均匀拉伸引起的Y向正应力；〇M是纯弯 载荷引起的Y向正应力，即无裂纹体在纯弯载荷Μ作用下假想裂纹面的Y向应力分布。
[0137] 式（11)可以写为
[0139]设矩形板的弯曲刚度为k，则Vo的表达式可写成如下形式：
[0141] 式中，k为弯曲刚度，假定试件厚度为单位厚度
，1为截面的惯性 矩。
[0142] 从而可以得到裂纹体的应变能：
[0144] 2)附加弯矩计算[0145] 试验机夹持边界条件对试件转角的约束可以认为给试件施加一个附加弯矩，使其 转角为〇。由卡式定理，试件端部的转角
，而端部转角被限制，即θ = 0。从而有
[0151] (2)夹持边界条件下的应力强度因子[0152]将式(17)代入式(7)，进而基于等效模型，由⑷⑷+ ⑷可得
[0156] 由此可计算出夹持边界下不对称裂纹右、左裂尖的应力强度因子Ka、Kb。
[0157] 步骤104,对测量的不对称裂纹扩展信息进行处理，求取材料的疲劳裂纹扩展速率 参数。
[0158] 该步骤可拆分为如下内容：
[0159] 步骤 104_l，da/dN 估计
[0160] 对于不对称裂纹，由于左、右裂纹尖端应力强度因子变程不同，疲劳裂纹扩展速率 会不等，应对左裂纹尖端的(aB，N)和和右裂纹尖端的(a A，N)分别处理。估计疲劳裂纹扩展速 率，通常采用割线法或递增多项式法。
[0161] (1)割线法
[0162] 用于计算裂纹扩展速率的割线法，da/dN通常表示如下：
[0164] 式中，下标A、B分别表不不对称裂纹的右裂尖和左裂尖；^,:1眞）、（38,:1眞)分别表 示第i次判读得到的右、左裂尖的(裂纹尖端的坐标，载荷循环数）。
[0165] (2)递增多项式法
[0166] 递增多项式是对任一试验数据点i及前后各η个点，共2n+l个连续数据点，采用如 下二次多项式进行拟合，求导。点数η值可取2、3、4,一般取3。
[01 68]
，￡li-n^ia^iai+ri。系数bo、bi、b2是 在区间[ai-n，a1+n]按最小二乘法(即使裂纹长度观测值与拟合值之间的偏差平方和最小)确 定的回归参数。拟合值?是对应于载荷循环数^的拟合裂纹长度。参数CjPC2是用于变换输 入数据，以避免在确定回归参数时数值计算上的困难。在化处的裂纹扩展速率由式(21)求 导而得：
[0170] 利用对应于Ni的拟合裂纹长度$计算与da/dN值对应的Δ K值。
[0171]递增多项式获得的裂纹扩展速率曲线光滑性更好，给出的裂纹扩展速率的分散性 小于割线法给出的，但是递增多项式给出的裂纹扩展速率的分散性可能会小于真实的裂纹 扩展速率的分散。
[0172] 步骤104-2,疲劳裂纹扩展速率参数的确定
[0173] 给定应力比R下的疲劳裂纹扩展速率公式通常采用Paris公式，描述两个裂尖扩展 速率的Paris公式为
[0175] 式中，AKa = Ka(1-R)、AKb = Kb(1-R)分别表示右、左裂尖的应力强度因子变程，R 为应力比。
[0176] 两边取对数转化为
[0178]
1数据进行线性拟合，估计材 料的疲劳裂纹扩展速率参数CA、nA、CB、nB。
[0179] 该方法与现行的疲劳裂纹扩展速率标准测试方法相比，具备如下优点：
[0180] (1)解决了现行标准中"当M(T)试件裂纹扩展不对称，数据无效"的问题;将现行标 准认为无效的数据转变为有效数据，节约人力、物力、财力；
[0181] (2)利用不对称裂纹进行疲劳裂纹扩展速率测试，由于左、右裂尖的应力强度因子 变程不同，疲劳裂纹扩展速率也不同，与对称裂纹中左、右裂尖只能作为一个裂尖相比，不 对称裂纹左、右裂尖可以作为两个裂尖分开处理，获得的裂纹扩展数据量增加1倍，有效信 息明显增加；
[0182] (3)由于左、右疲劳裂纹扩展速率不同，不对称裂纹左、右裂尖可以作为两个裂尖 处理，从而可以通过控制应力水平、合理布置不对称缺口的位置和尺寸，实现在较短的时间 内进行全范围的疲劳裂纹扩展速率测试，可有效地节省试验时间和工作量。
[0183] 以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技 术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修 改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种采用不对称裂纹测试疲劳裂纹扩展速率的方法，其特征在于： 采用等厚度直条形试件，在试件工作段加工沿X轴的不对称缺口； 将带有不对称缺口的试件夹持在疲劳试验机的夹头上，缺口到上夹头、下夹头的距离 相同；使加载方向垂直于缺口表面，然后施加等幅疲劳载荷，进行疲劳裂纹扩展试验； 测量不对称裂纹扩展的信息，并记录疲劳载荷作用次数N，所述信息包括:试件在X轴方 向的半宽W、试件工作段的长度L、右裂纹尖端A的坐标aA、左裂纹尖端B的坐标aB; 利用串中，a为 裂纹半长，a=(aA-aBV2，为右 裂纹尖端、左裂纹尖端的权函数，用于求取夹持边界条件下不对称裂纹右裂尖应力强度因 子Ka和左裂尖应力强度因子Kb; 计算右裂尖、左裂尖的应力强度因子变程A Ka、Δ Kb，计算公式为Δ Ka=Ka( 1-R)、Δ Kb = Kb(I-R)，其中，R为应力比； 分别预估不对称裂纹右裂尖、左裂尖的疲劳裂纹扩展速率(da/dN)A、（da/dN)B; 根据所述A Ka、所述(da/dN)A，所述Δ Kb、所述(da/dN)B分别求取材料的疲劳裂纹扩展速 率参数CA、nA和Cb、邮。2. 如权利要求1所述的采用不对称裂纹测试疲劳裂纹扩展速率的方法，其特征在于，所 述试件为等厚度板;不对称缺口中屯、偏离试件中屯、线;所述不对称缺口的加工方式为线切 割。3. 如权利要求1所述的采用不对称裂纹测试疲劳裂纹扩展速率的方法，其特征在于，在 所述疲劳裂纹扩展速率测试中，采用目测法测量疲劳裂纹尺寸;所述方法还包括:定期在裂 纹尖端涂抹着色液。4. 如权利要求1所述的采用不对称裂纹测试疲劳裂纹扩展速率的方法，其特征在于，所 述测量不对称裂纹扩展的信息包括： 观察通过数码显微镜放大的裂纹； 移动所述数码显微镜，使所述放大的裂纹的尖端与预设标线重合； 将所述疲劳试验机的试验频率降低，在光栅数显尺上读出右裂纹尖端A、左裂纹尖端B 的坐标aA、aB。5. 如权利要求1所述的采用不对称裂纹测试疲劳裂纹扩展速率的方法，其特征在于，求 取夹持边界条件下不对称裂纹右裂尖应力强度因子Ka、左裂尖应力强度因子Kb包括： 根据夹持边界条件的特点和试件本身关于Y轴刚度不对称的特点，建立不对称裂纹应 力强度因子求解的等效模型； 根据裂纹体的应变能、附加弯矩，及自由均匀拉伸条件下的应力强度因子纯弯 载荷下的应力强度因子Κμ<α'β>，基于所述等效模型获取Ka、Kb。6. 如权利要求5所述的采用不对称裂纹测试疲劳裂纹扩展速率的方法，其特征在于，所 述等效模型为： 将夹持边界条件等效为自由均匀拉伸σ和纯弯载荷Μ的共同作用，并且使得试件端部X- Υ平面内的转角等于0;7. 如权利要求5所述的采用不对称裂纹测试疲劳裂纹扩展速率的方法，其特征在于，所 述自由均匀拉伸条件下的应力强度因子Kc/A'Bl的求取方式为：曰（X)为无裂纹体在自由均匀拉伸应力0下假想裂纹面的Y向应力分布，〇 = P/S，P为载 荷，S为试件的横截面积;0 (X )= 0，X为积分坐标。8. 如权利要求5所述的采用不对称裂纹测试疲劳裂纹扩展速率的方法，其特征在于，所 述纯弯载荷作用下的应力强度因子Κμ<α'β>的求取方式为：其中， 〇M(x)为无裂纹体在远场纯弯载荷Μ作用下假想裂纹面的Υ向应力分布;假定试件厚度为 单位厚度，，Μ为纯弯载荷。9. 如权利要求1-8任一项所述的采用不对称裂纹测试疲劳裂纹扩展速率的方法，其特 征在于，所述(da/dN)A、所述(da/dN)B的预估方法为：，其中，aA,i、ae,i分别表示第i次判读得到的右裂纹尖端A、左裂纹尖 端B的坐标，Ni、Nw分别表示第i次和第i+1次判读裂纹时记录的载荷循环数；其中，下标η在7点拟合中等于3,在5 点拟合中等于2;系数b〇、bl、b2是W在区间[ai-n，ai+n]按裂纹长度观测值与拟合值之间的偏 差平方和最小为原则确定的回归参数;拟合值ζ是对应于载荷循环数Ni的拟合裂纹长度;参 数Cl和C2用于变换输入数据。10. 如权利要求1所述的采用不对称裂纹测试疲劳裂纹扩展速率的方法，其特征在于， 所述材料疲劳裂纹扩展速率参数CA、nA和Cb、邮的求取方法包括： 确定给定应力比下疲劳裂纹扩展速率的方程由数据进行线性拟合，确定材料的 疲劳裂纹扩展速率参数CA、nA和Cb、邮。
【文档编号】G01N3/32GK106092785SQ201610440541
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年6月17日
【发明人】贺小帆, 董颖豪, 杨博霄, 李玉海
【申请人】北京航空航天大学, 中国航空工业集团公司