一种交变应力下疲劳裂纹扩展门槛值的预测方法与流程

本发明属于疲劳裂纹扩展，具体涉及一种交变应力下疲劳裂纹扩展门槛值的预测方法。

背景技术：

1、疲劳裂纹扩展门槛值是反映材料抗疲劳能力的一种重要指标，其是判断裂纹是否扩展的阈值。目前，疲劳裂纹扩展门槛值通过疲劳裂纹扩展速率试验获取，疲劳裂纹扩展速率试验参考标准《gbt 6398-2017金属材料疲劳裂纹扩展速率试验方法》，采用分级降力法，分级降力时每级力要使裂纹扩展增量大于上一级最大应力强度因子对应的塑性区尺寸ry的4～6 倍，直至平均裂纹扩展速率da/dn接近10-7mm/cycle时，试验结束，试验过程中记录每级力或每级应力强度因子范围下的终止裂纹长度和对应的循环数，获得至少5个分布在10-6mm/cycle～10-7mm/cycle之间的(log(da/dn)，logδk)数据点，进而线性回归拟合数据点获取疲劳裂纹扩展门槛值。

2、但在进行疲劳裂纹扩展速率试验时发现整个疲劳裂纹扩展速率试验耗费时间长，且采用不同的初始裂纹长度、初始载荷以及不同的降载梯度，都会得到不同的疲劳裂纹扩展门槛值。此外，在试验过程中，当裂纹扩展速率接近10-7mm/cycle时，裂纹在长时间内几近于静止，使得裂纹长度的测量准确性很大程度上依赖于测试设备的精确度，而高精度的测试成本价格高昂，极大地增加了测量成本。因此，疲劳裂纹扩展速率试验由于存在试验周期长，试验成本高等缺陷，导致疲劳裂纹扩展门槛值测试无法推广，不利于含裂纹构件的结构疲劳设计和寿命预测。

技术实现思路

1、鉴于以上现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种交变应力下工程构件的疲劳裂纹扩展门槛值的预测方法，其通过某一应力比下不同应力范围的高周疲劳测试结果，快速预测对应应力比下不同应力范围下的疲劳裂纹扩展门槛值，以取代测试周期长、成本高的疲劳裂纹扩展速率试验，有效减轻测试任务，提高疲劳裂纹扩展门槛值的获取效率，并降低疲劳裂纹扩展门槛值的获取成本。

2、为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种交变应力下疲劳裂纹扩展门槛值的预测方法，该方法包括以下步骤：

3、s1、将目标材料制成的多个试样进行相同应力比、不同疲劳应力范围下的高周疲劳试验，并记录失效试样的疲劳失效周次n和疲劳应力范围δσ；所述失效试样为循环次数小于107次时裂纹扩展到临界长度的试样，所述疲劳失效周次n为失效试样的实际循环次数；所述试样为具有圆形横截面的试样；

4、s2、对各个失效试样的裂纹前缘进行标记后，将各失效试样拉断，获取对应失效试样的试样临界裂纹长度af；

5、s3、通过对各个失效试样的疲劳应力范围δσ、疲劳失效周次n和试样临界裂纹长度af进行拟合，获得疲劳应力范围δσ、疲劳失效周次n和试样临界裂纹长度af的拟合公式：af＝na(δσ)m；其中，a为第一拟合参数；m为第一拟合指数；

6、s4、对应力强度因子范围δk与裂纹长度a关系式中的系数进行标定，确定试样应力强度因子范围δk与试样裂纹长度a的最终关系式：

7、

8、其中，δf为试样承受的疲劳载荷范围；

9、d为试样中心的横截面直径；

10、s0为试样中心的原始横截面面积，由公式确定；

11、为试样的几何因子系数；

12、k0～kn为标定获得的系数；

13、n+1为标定试验中不同循环次数的个数，n不小于4；

14、s5、根据连续降k法原理，计算每个恒力范围对应的裂纹扩展量δa，计算公式如下：

15、

16、其中，δki为第i级应力强度因子范围；

17、δki-1为第i-1级应力强度因子范围；

18、δxk为应力强度因子连续下降幅度，其为固定值，满足δxk≤2％；

19、c为降k梯度，其为固定值，满足c≥-0.1mm-1；

20、s6、确定初始最大应力σ0和初始裂纹长度a0；根据连续降k法原理，计算出各级应力范围δσi，计算公式如下：

21、

22、式中，δσi第i级应力范围，且第一级应力范围δσ1＝(1-r)σ0，r为应力比；

23、δσi-1第i-1级应力范围；

24、ai为第i级裂纹长度，由公式ai＝ai-1+δa确定，其中，第一级裂纹长度a1＝a0+δa；

25、ai-1为第i-1级裂纹长度；

26、s7、通过疲劳应力范围δσ、疲劳失效周次n和试样临界裂纹长度af的拟合公式，获取各级应力范围δσi下的循环次数δni，进而获得各级应力范围δσi下的裂纹扩展速率(da/dn)i，其计算公式为：

27、s8、通过试样应力强度因子范围δk与试样裂纹长度a的关系式，计算出各级裂纹长度ai对应的应力强度因子范围δki；

28、s9、绘制各级应力范围δσi下裂纹扩展速率(da/dn)i与对应应力强度因子范围δki的关系曲线，获得疲劳裂纹扩展门槛值δkth；所述疲劳裂纹扩展门槛值δkth为裂纹扩展速率da/dn＝10-7mm/cycle时的应力强度因子范围。

29、优选地，步骤s4的标定过程包括以下步骤：

30、s41、将目标材料制成的n+1个试样进行不同循环次数、相同应力比和相同疲劳载荷范围下的疲劳试验，记录试样个数n+1、疲劳载荷范围δf、对应循环次数的试样裂纹长度a；

31、s42、获取对应循环次数的应力强度因子范围δk；

32、s43、通过疲劳载荷范围δf、不同循环次数下的试样裂纹长度a和对应应力强度因子范围δk，计算出试样应力强度因子范围δk与试样裂纹长度a关系式中的系数k0～kn。

33、优选地，将步骤s41替换为：将目标材料制成的一个试样在相同应力比、相同疲劳载荷范围下，依次进行循环次数递增的标定疲劳试验，以获得不同循环次数的个数n+1个、疲劳载荷范围δf、对应循环次数的试样裂纹长度a。

34、优选地，对应循环次数的应力强度因子范围δk的获取方法为数学分析法或边界配置法或有限元法。

35、优选地，采用加热着色法或二次疲劳法对步骤s2中的失效试样的裂纹前缘进行标记。

36、优选地，初始最大应力σ0满足：σr≤σ0≤rp0.2；其中，rp0.2为目标材料的屈服强度，σr为目标材料的条件疲劳极限。

37、如上，本发明的一种交变应力下工程构件的疲劳裂纹扩展门槛值的预测方法，具有以下有益效果：

38、本发明通过某一应力比下不同应力范围的高周疲劳测试结果，快速预测对应应力比下不同应力范围下的疲劳裂纹扩展门槛值，以取代测试周期长、成本高的疲劳裂纹扩展速率试验，有效减轻测试任务，提高疲劳裂纹扩展门槛值的获取效率，并降低疲劳裂纹扩展门槛值的获取成本；

39、本发明基于高周疲劳测试结果预测获得的疲劳裂纹扩展门槛值与疲劳裂纹扩展速率试验获得的疲劳裂纹扩展门槛值基本相等，试验验证本发明的有效性。

技术特征：

1.一种交变应力下疲劳裂纹扩展门槛值的预测方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种交变应力下疲劳裂纹扩展门槛值的预测方法，其特征在于，步骤s4的标定过程包括以下步骤：

3.根据权利要求2所述的一种交变应力下疲劳裂纹扩展门槛值的预测方法，其特征在于，将步骤s41替换为：将目标材料制成的一个试样在相同应力比、相同疲劳载荷范围下，依次进行循环次数递增的标定疲劳试验，以获得不同循环次数的个数n+1个、疲劳载荷范围δf、对应循环次数的试样裂纹长度a。

4.根据权利要求2或3所述的一种交变应力下疲劳裂纹扩展门槛值的预测方法，其特征在于，对应循环次数的应力强度因子范围δk的获取方法为数学分析法或边界配置法或有限元法。

5.根据权利要求1所述的一种交变应力下疲劳裂纹扩展门槛值的预测方法，其特征在于，采用加热着色法或二次疲劳法对步骤s2中的失效试样的裂纹前缘进行标记。

6.根据权利要求1所述的一种交变应力下疲劳裂纹扩展门槛值的预测方法，其特征在于，初始最大应力σ0满足：σr≤σ0≤rp0.2；其中，rp0.2为目标材料的屈服强度，σr为目标材料的条件疲劳极限。

技术总结
本发明提供一种交变应力下疲劳裂纹扩展门槛值的预测方法，包括：S1、获取失效试样的疲劳失效周次N和疲劳应力范围Δσ；S2、获取失效试样的试样临界裂纹长度a<subgt;f</subgt;；S3、获得疲劳应力范围Δσ、疲劳失效周次N和试样临界裂纹长度a<subgt;f</subgt;的公式；S4、标定试样应力强度因子范围ΔK与试样裂纹长度a的公式；S5、确定每个恒力范围的裂纹扩展量Δa；S6、确定各级应力范围Δσ<subgt;i</subgt;；S7、获得各级应力范围Δσ<subgt;i</subgt;的裂纹扩展速率(da/dN)<subgt;i</subgt;；S8、确定各级裂纹长度a<subgt;i</subgt;的应力强度因子范围ΔK<subgt;i</subgt;；S9、获得疲劳裂纹扩展门槛值ΔK<subgt;th</subgt;；本发明基于高周疲劳试验结果，预测不同应力范围的疲劳裂纹扩展门槛值，以取代测试周期长、成本高的疲劳裂纹扩展速率试验，减轻测试任务，提高获取效率。

技术研发人员：吴海利
受保护的技术使用者：上海电气电站设备有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/25