专利名称：一种确定有效应力强度因子范围的方法
技术领域：
本发明涉及材料疲劳裂纹扩展性能确定技术领域，具体涉及一种确定有效应力强度因子范围的方法，主要应用于确定材料疲劳裂纹扩展性能参数。
背景技术：
套管钻井即使是21世纪最有创新性的钻井技术之一，由于套管改变了传统的使用方法，同时具备固井和钻井的功能，对其疲劳性能提出了更高的要求。尽管自从Paris发现疲劳裂纹扩展曲线在双对数坐标中呈一直线，Paris公式中的两个参数C和m就在工程 上得到了广泛的重视和应用。但事实上很多人都通过试验发现随着应力比的增加，疲劳裂纹扩展曲线发生左移，即Paris参数C并非材料常数，而是受到应力比的显著影响。据此，有研究者建立了如下公式
Ceff ATeff ^
MI
式中da/dt为裂纹扩展速率(m/cycle)，Alff为有效应力强度因子范围(MPa ^mv2)；^eff和是材料常数。Qff和作为材料常数能够很方便的用于工程设计中，不受其它外在因素的影响。为了获得材料常数Crff和队 .通常需要首先确定A^ff,但确定A很麻烦，因为影响的因素很多，包括材料的塑性，材料容易受氧化的程度等等。尽管根据公式(2)可以计算出Afeff
AKeff = U AK(2)
式中U为闭合效应系数,A 为标称应力强度因子范围。但U的确定本身就很麻烦，需要专用的设备。尽管有的文献利用特殊方法获得某些材料闭合效应系数的计算公式，但不同材料特性千差万别，计算误差较大。采用本发明的方法能够确定A Keff,具有方法简单，不需要添加设备，精度高，适用范围广等特点。从而增加了工程设计的精确度和方便性，在降低疲劳失效事故率方面具有重要的意义。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的是提供一种确定有效应力强度因子范围的方法，具有方法简单，不需要添加设备，精度高，适用范围广的特点。为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是一种确定有效应力强度因子范围的方法，包括如下步骤
第一，根据标准加工试样，采用紧凑拉伸试样，试样厚度^ = 4. 8mm，宽度Zf= 30mm，切口采用线切割方式加工，预裂长度为2mm，利用PLD-100型液压伺服疲劳试验机，裂纹长度由微机辅助电位法监测，电位函数由边界元法计算给出，试验温度为室温，频率为10Hz，力口载波形为正弦波型，载荷为I. 4M,试验应力比7 = PaJPaax,将不同应力比下的疲劳裂纹扩展曲线绘制在双对数坐标(Kda/dAH AC*中；
其中，ck/d/V为疲劳裂纹扩展速率；Af为应力强度因子范围Wmin为最小载荷Wmax为最大载荷；
第二，确定最大应力比 下&(ck/dA0-7g Af直线部分的中部点对应的(ck/d/V)其值作为(ck/d/V) base，其中(ck/dV) base为基准裂纹扩展速率；
第三，确定不同应力比曲线上(CLaAW)base对应的At根据不同应力比下的(7^(ck/6M)~lg ^K)可确定出对应于(ck/d/V) base的Al;
第四，依次确定较低应力比和最大应力比0.7曲线对应于(ck/dV)base的Af之间的差值，作为因闭合效应引起的应力强度因子范围的降低值；
第五，建立不同应力下的和应力比的关系公式，绘制不同应力比下的裂纹扩展曲线曲线会发现，会发现应力比R和A 对数关系，采用最小二乘法即可得到如下公式AJce = f ⑷；
其中，A 为由闭合效应弓I起的应力强度因子范围降低的值；
第六，确定不同应力比下的Af和应力比7 之间的关系，并确定更高应力比下的Af; 建立Ig (A&/ AI最大应力比)和之间的关系式；
其中为应力比，A (为应比比对应的Af;为最大应比对应的AL最大
应力比是指可以忽略掉的裂纹闭合效应所对应的应力比；
第七，有效应力强度因子范围的确定，
权利要求
1.一种确定有效应力强度因子范围的方法，其特征在于，包括如下步骤 第一，根据标准加工试样，采用紧凑拉伸试样，试样厚度^ = 4. 8mm，宽度Zf= 30mm，切口采用线切割方式加工，预裂长度为2mm，利用PLD-100型液压伺服疲劳试验机，裂纹长度由微机辅助电位法监测，电位函数由边界元法计算给出，试验温度为室温，频率为10Hz，力口载波形为正弦波型，载荷为I. 4M,试验应力比7 = PaJPa^,将不同应力比下的疲劳裂纹扩展曲线绘制在双对数坐标(Kda/dAH AC*中； 其中，ck/d/V为疲劳裂纹扩展速率；Af为应力强度因子范围Wmin为最小载荷Wmax为最大载荷； 第二，确定最大应力比下&(ck/dA0-7g Af直线部分的中部点对应的(ck/d/V)其值作为(ck/d/V) base，其中(ck/dV) base为基准裂纹扩展速率； 第三，确定不同应力比曲线上(CLaAW)base对应的At根据不同应力比下的(7^(ck/_-7貧AD可确定出(ck/d/V)base对应的Al; 第四，依次确定较低应力比和最大应力比0.7曲线对应于(ck/dV)base的Af之间的差值A Kce,作为由闭合效应弓I起的应力强度因子范围的降低值； 第五，建立不同应力下的和应力比的关系公式，绘制不同应力比下的裂纹扩展曲线曲线会发现，会发现应力比R和A 对数关系，采用最小二乘法即可得到如下公式AJce = f ⑷； 其中，A 为由闭合效应弓I起的应力强度因子范围降低的值； 第六，确定不同应力比下的Af和应力比7 之间的关系，并确定更高应力比下的Af; 建立Ig (A&/ AI最大应力比)和之间的关系式 Ig (A&/厶#最大应力比)=€(/ ) 其中为应力比，A (为应比对应的Af;为最大应比对应的AL最大应力比是指可以忽略掉的裂纹闭合效应所对应的应力比； 第七，有效应力强度因子范围的确定，AKeff=AKRimm 其中，Afeff为有效应力强度因子范围(MPa ^mv2)大应力比为最大应比对应的AL最大应力比是指可以忽略掉的裂纹闭合效应所对应的应力比。
2.根据权利要求I所述的一种确定有效应力强度因子范围的方法，其特征在于，包括如下步骤 第一，根据标准加工试样，采用紧凑拉伸试样，试样厚度^ = 4. 8mm，宽度Zf= 30mm，切口采用线切割方式加工，预裂长度为2mm，利用PLD-100型液压伺服疲劳试验机，裂纹长度由微机辅助电位法监测，电位函数由边界元法计算给出，试验温度为室温，频率为10Hz，力口载波形为正弦波型，载荷为I. 4M，试验应力比7 = Aiiy^max，分别为0. 1、0. 3、0. 5、0. 7，将不同应力比下的疲劳裂纹扩展曲线绘制在双对数坐标(7^(ck/dA0-7^ AD中； 其中，Pmin为最小载荷，Pmax为最大载荷；d3/dV为疲劳裂纹扩展速率;A Jf为应力强度因子范围； 第二，确定最大应力比0. 7下7^(ck/dA0-7^ Af直线部分的中点对应的(ck/d/V)其值为5. 27X 10_8作为(ck/dV) base，其中(ck/dV) base为基准裂纹扩展速率；第三，确定不同应力比曲线上(ClaAW)base对应的At根据不同应力比下的(7^(ck/dA0-7^Af)可确定出对应于(ck/dV)basJ^At不同应力比0.7，0. 5, 0. 3, 0. I对应的Af 分别为18. 03 MPam172, 19. 20 MPam172, 21. 18 MPam172, 24. 14 MPam172 ； 第四，依次确定应力比0. 1，0. 3, 0.5和应力比0.7曲线对应于(CkAW)base的AI之间的差值A 作为因闭合效应引起的应力强度因子范围的降低值，记作A Kce, A Kce0.卜0.7，A Jce 0.3-0.7^ A Jce 0.5_0.7 分别为 6 . 11 MPa m1/2 ；3. 15MPa m1/2 ；1. 17MPa m1/2 ； 第五，建立不同应力下的和应力比的关系公式， 通过绘制曲线并分析，发现应力比与满足对数关系 AJce = -3. 0097Ln (7 ) - 0. 7366 其中，A 为由闭合效应弓I起的应力强度因子范围降低的值； 由上式可计算出应力0. 7对应的A 0.7为0. 34 MPa m1/2，根据0. 34 MPa m1/2和第三步中18. 32 MPa m1/2，可知应力比0. 9对应的Al为17. 69MPa m1/2 ； 第六，确定不同应力比下的Af和应力比7 之间的关系，并确定更高应力比下的Af ; 建立Ig (A&/ AI最大应力比)和之间的关系式 应力比大于0. 9则裂纹闭合效应很小，可忽略不计，以应力比为0. 9对应的闭合效应I计算 则Ig (AAai/AJkck9)= Ig (24. 14/17. 69) =0. 1350Ig (A^eoVAJkck9)= Ig (21. 18/17. 69) =0. 0781Ig (A JE0.5/ A JE0.9) = Ig (19. 20/17. 69)=0. 0355Ig (A JE0.7/ A JE0.9) = Ig (18. 03/17. 69)=0. 0083 发现不同应力下的Af和应力比0.9对应的Af比值的对数与7 具有相关性，通过最小二乘法进行拟合，获得下式Ig (AJe/ Afa9) = 0. IMAIf - 0. 359R + 0. 1691A Je为应比R对应的AI ；A J0.9为应力比0. M对应的AI ； 第七，有效应力强度因子范围的确定，
3.根据权利要求I所述的一种确定有效应力强度因子范围的方法，其特征在于，包括如下步骤 第一，根据标准加工试样，采用紧凑拉伸试样，试样厚度^ = 4. 8mm，宽度Zf= 30mm，切口采用线切割方式加工，预裂长度为2mm，利用PLD-100型液压伺服疲劳试验机，裂纹长度由微机辅助电位法监测，电位函数由边界元法计算给出，试验温度为室温，频率为10Hz，力口载波形为正弦波型，载荷为I. 4M，试验应力比7 = Aiiy^max，分别为0. 1、0. 3、0. 5、0. 7，将不同应力比下的疲劳裂纹扩展曲线绘制在双对数坐标((7g(ck/dA0-7g AD中； 其中，Pmin为最小载荷，Pmax为最大载荷；d3/dV为疲劳裂纹扩展速率;A Jf为应力强度因子范围； 第二，确定最大应力比0. 7下7^(ck/dA0-7^ Af直线部分的中部对应的(ck/d/V)其值为3. 84X 10_8作为(ck/dV)base，其中(ck/dV)base为基准裂纹扩展速率； 第三，确定不同应力比曲线上(CLaAW)base对应的At根据不同应力比下的(7^(ck/dA0-7^Af)可确定出对应于(ck/dV)basJ^At不同应力比0.7，0. 5, 0. 3, 0. I对应的Af 分别为17.43 MPam172, 18. 12 MPam172, 19.40 MPam172, 21. 12 MPam172 ； 第四，依次确定应力比0. 1，0. 3, 0.5和应力比0.7曲线对应于(CkAW)base的AI之间的差值，作为因闭合效应引起的应力强度因子范围的降低值，记作0.^.,,AJTce 0.3_0.7，A Jce 0.5_0.7 分别为 3. 69 MPa m1/2 ；1. 97MPa m1/2 ；0. 69MPa m1/2 ； 第五，建立不同应力下的和应力比的关系公式， 通过绘制曲线并分析，发现应力比与满足对数关系 AJce = -1.8165LnO ) - 0. 4263 其中，A 为由闭合效应弓I起的应力强度因子范围降低的值； 由上式可计算出应力0. 7对应的A 0.7为0. 22 MPa m1/2，根据0. 22 MPa m1/2和第三步中17. 43 MPa m1/2，可知应力比0. 9对应的AI为17. 219MPa m1/2 ; 第六，确定不同应力比下的Af和应力比7 之间的关系，并确定更高应力比下的Af ; 建立Ig (A&/ AI最大应力比)和之间的关系式 应力比大于0. 9则裂纹闭合效应很小，可忽略不计，以应力比为0. 9对应的闭合效应I计算 则Ig (AJTmi/ AJTmg)= Ig (21. 12/17. 21) =0. 1350Ig (AJTm3/ AJTmg)= Ig (19. 40/17. 21) =0. 0781Ig (AJTms/ AJTmg) = Ig (18. 12/17.21)=0. 0355Ig (AJTm7/ AJTmg) = Ig (17. 43/17.21)=0. 0083 发现不同应力下的Af和应力比0.9对应的Af比值的对数与7 具有相关性，通过最小二乘法进行拟合，获得下式Ig (AJe/ Afa9) = 0. 1252/ 2 - 0. 24017 + 0. 1119A Je为应比R对应的AI ；A J0.9为应力比0. M对应的AI ； 第七，有效应力强度因子范围的确定，
4.根据权利要求I所述的一种确定有效应力强度因子范围的方法，其特征在于，包括如下步骤 第一，根据标准加工试样，采用紧凑拉伸试样，试样厚度^ = 4. 8mm，宽度Zf= 30mm，切口采用线切割方式加工，预裂长度为2mm，利用PLD-100型液压伺服疲劳试验机，裂纹长度由微机辅助电位法监测，电位函数由边界元法计算给出，试验温度为室温，频率为10Hz，力口载波形为正弦波型，载荷为I. 4M，试验应力比7 = Aiiy^max，分别为0. 1、0. 3、0. 5、0. 7，将不同应力比下的疲劳裂纹扩展曲线绘制在双对数坐标(7^(ck/dA0-7^ AD中； 其中，Pmin为最小载荷，Pmax为最大载荷；d3/dV为疲劳裂纹扩展速率;A Jf为应力强度因子范围； 第二，确定最大应力比0. 7下7^(ck/dA0-7^ Af直线部分的中点对应的(ck/d/V)其值为I. 42X 10_7作为(ck/dV) base，其中(ck/dV) base为基准裂纹扩展速率； 第三，确定不同应力比曲线上(CLaAW)base对应的At根据不同应力比下的(7^(ck/ dA0-7g AD确定出对应于(ck/dV)base的厶#，不同应力比0. 7，0.5，0.3，0. I对应的AI 分别为22. 39 MPam172, 23.97 MPam172, 26.47 MPam172, 30.51 MPam172 ； 第四，依次确定应力比0. 1，0. 3, 0.5和应力比0.7曲线对应于(CkAW)base的AI之间的差值，作为因闭合效应引起的应力强度因子范围的降低值，记作0.^.,,AJTce 0.3_0.7，A Jce 0.5_0.7 分别为 8. 13 MPa m1/2 ；4. 08MPa m1/2 ；1. 58MPa m1/2 ； 第五，建立不同应力下的和应力比的关系公式， 通过绘制曲线并分析，发现应力比与满足对数关系 AKce = -4. 0088Ln (7 ) - 1.0152 其中，A 为由闭合效应弓I起的应力强度因子范围降低的值； 由上式计算出应力0. 7对应的A0.7为0. 41 MPa m1/2，根据0. 41 MPa m1/2和第三步中22. 39 MPa m1/2，可知应力比0. 9对应的Al为21. 98MPa m1/2 ； 第六，确定不同应力比下的Af和应力比7 之间的关系，并确定更高应力比下的Af ; 建立Ig (A&/ AI最大应力比)和之间的关系式 应力比大于0. 9则裂纹闭合效应很小，可忽略不计，以应力比为0. 9对应的闭合效应I计算 则Ig CAKwa/ AKw,9)= Ig (30. 51/21. 98) =0. 1424Ig (AJE0.3/AJE0.9)= Ig (26. 47/21. 98) =0. 0873Ig CAK^5/ AKm^9) = Ig (23. 97/21.98)=0. 0376Ig (A JE0.7/ A JE0.9) = Ig (22. 39/21.98)=0. 0080 发现不同应力下的Af和应力比0.9对应的Af比值的对数与7 具有相关性，通过最小二乘法进行拟合，获得下式Ig (AJe/ A J0.9) = 0. 20057 2 - 0. 38357 + 0. 1785A Kr为应比R对应的AI ；A J0.9为应力比0. M对应的AI ； 第七，有效应力强度因子范围的确定
全文摘要
一种确定有效应力强度因子范围的方法，步骤为一，根据标准加工试样，完成疲劳裂纹扩展试验，将不同应力比下的疲劳裂纹扩展曲线绘制在双对数坐标(lg(da/dN)-lg△K)中；二，确定最大应力比下lg(da/dN)-lg△K直线部分的中部点对应的(da/dN)，其值作为(da/dN)base；三，确定不同应力比曲线上(da/dN)base对应的△K，根据不同应力比下的(lg(da/dN)-lg△K)确定出△K；四，依次确定较低应力比和最大应力比0.7曲线对应于(da/dN)base的△K之间的差值△Kce；五，建立不同应力下的△Kce和应力比的关系公式；六，确定不同应力比下的△K和应力比R之间的关系，确定更高应力比下的△K；七，有效应力强度因子范围的确定，方法简单，精度高，适用范围广。
文档编号G01N3/00GK102645365SQ20121015541
公开日2012年8月22日 申请日期2012年5月18日 优先权日2012年5月18日
发明者许天旱 申请人:西安石油大学