采用压-压循环载荷预制裂纹的裂纹扩展门槛值测试方法

摘要

本发明属于疲劳裂纹扩展测试技术领域，涉及一种采用压‑压循环载荷预制裂纹的疲劳裂纹扩展门槛值测试方法。该方法包括：设计易于在压‑压循环缩载荷下产生疲劳裂纹的试验件；估算疲劳裂纹循环压缩载荷并施加载荷以产生裂纹；采用有限元方法计算残余拉应力区尺寸；制定裂纹扩展方案使裂纹尖端扩展出由循环压缩载荷产生的残余拉应力区；逐步增加载荷使裂纹扩展开始扩展，测得裂纹扩展门槛值。本发明试验方法简明、高效，较常规门槛值测试方法，测试时间短，并且可避免降载带来的载荷历程效应，测试效率和经济性突出。

权利要求

1.一种采用压-压循环载荷预制裂纹的裂纹扩展门槛值测试方法，其特征是，(1)预制裂纹设计能够在压-压循环载荷下产生疲劳裂纹的试验件，根据试验件材料的弹性模量估算预制疲劳裂纹用的压-压循环载荷并施加该载荷以产生裂纹；

(2)使裂纹扩展出残余拉应力区

采用有限元方法计算压-压循环载荷产生的残余拉应力区尺寸，根据试验件材料类型的疲劳裂纹扩展门槛值的典型值，在试验件上施加拉-拉循环载荷，载荷值为使裂纹尖端应力强度因子为试验件材料类型的疲劳裂纹扩展门槛值典型值的50～80％，施加该载荷使裂纹扩展，直至裂纹尖端在1000000个循环下不扩展，即认为裂纹尖端扩展出残余拉应力区；

(3)测试疲劳裂纹扩展门槛值

逐级增加载荷，每级增加的载荷量为上级载荷量的5～10％，直至裂纹开始扩展，继续调整载荷，使裂纹在1000000个循环下扩展0.1mm，测得裂纹扩展门槛值。

2.根据权利要求1所述的一种采用压-压循环载荷预制裂纹的裂纹扩展门槛值测试方法，其特征是，所采用的试验件为中心裂纹拉伸M(T)试验件，试验件中心位置有一六边形缺口，缺口穿透整个厚度方向，六边形上下两边平行试验件宽度方向，上下两边距离为:1～

5mm，左右两个顶点位于水平方向的中心线上，两个顶点相距5～20mm，连接每个顶点的两条边夹角为30～90°，且相对于水平方向的中心线对称。

3.根据权利要求1所述的一种采用压-压循环载荷预制裂纹的裂纹扩展门槛值测试方法，其特征是，压-压循环载荷所采用的最大压缩载荷，应使裂纹尖端应力强度因子绝对值其中σy为材料的屈服强度。

4.根据权利要求1所述的一种采用压-压循环载荷预制裂纹的裂纹扩展门槛值测试方法，其特征是，压-压循环载荷所采用的应力比为R＝10～40。

5.根据权利要求1所述的一种采用压-压循环载荷预制裂纹的裂纹扩展门槛值测试方法，其特征是，压-压循环载荷施加100000～200000循环，使裂纹扩展至0.1～0.3mm。

6.根据权利要求1所述的一种采用压-压循环载荷预制裂纹的裂纹扩展门槛值测试方法，其特征是，利用残余拉应力区，施加同类材料的疲劳裂纹扩展门槛值的50～80％的载荷使裂纹扩展。

说明书

采用压-压循环载荷预制裂纹的裂纹扩展门槛值测试方法

技术领域

[0001] 本发明属于疲劳裂纹扩展测试技术领域，涉及一种采用压-压循环载荷预制裂纹的疲劳裂纹扩展门槛值测试方法。

背景技术

[0002] 疲劳裂纹扩展门槛值ΔKth表示：当裂纹扩展驱动力ΔK低于ΔKth时，不能导致裂纹扩展。疲劳裂纹扩展门槛值是飞机材料力学性能评价中十分重要的参数，在GB/T 6398-2000《金属材料疲劳裂纹扩展速率试验方法》中给出了疲劳裂纹扩展门槛值的测定程序。这一程序采用的是拉-拉循环载荷预制裂纹，进一步通过逐级降低载荷来测试疲劳裂纹扩展门槛值，采用这种方法测量门槛值时裂纹尖端将存在残余压应力的塑性区，通常为了使裂纹快速萌生，需采用较大的载荷预制裂纹，此时残余压应力就会很大，相应地对门槛值测量的影响也越大，为了消除这一影响，需要的逐级降载过程就十分长。而当采用较小载荷预制裂纹时，裂纹萌生本身就十分耗时在实际测试中耗时耗力，通常1条疲劳裂纹扩展门槛值数据曲线至少需要15～20天。门槛值作为飞机材料设计用力学性能的重要数据，有大量的测试需求，采用当前的测试方法其效率难以满足设计需要。

发明内容

[0003] 本发明要解决的技术问题是针对现有的疲劳裂纹扩展门槛值测试方法效率过低而设计的一种采用压-压循环载荷预制裂纹的裂纹扩展门槛值测试方法。

[0004] 本发明的技术解决方案是：

[0005] (1)预制裂纹

[0006] 设计能够在压-压循环载荷下产生疲劳裂纹的试验件，根据试验件材料的弹性模量估算预制疲劳裂纹用的压-压循环载荷并施加该载荷以产生裂纹；

[0007] (2)使裂纹扩展出残余拉应力区

[0008] 采用有限元方法计算压-压循环载荷产生的残余拉应力区尺寸，根据试验件材料类型的疲劳裂纹扩展门槛值的典型值，在试验件上施加拉-拉循环载荷，载荷值为使裂纹尖端应力强度因子为试验件材料类型的疲劳裂纹扩展门槛值典型值的50％-80％，施加该载荷使裂纹扩展，直至裂纹尖端在1000000个循环下不扩展，即认为裂纹尖端扩展出残余拉应力区；

[0009] (3)测试疲劳裂纹扩展门槛值

[0010] 逐级增加载荷，每级增加的载荷量为上级载荷量的5％-10％，直至裂纹开始扩展，继续调整载荷，使裂纹在1000000个循环下扩展0.1mm，测得裂纹扩展门槛值。

[0011] 所采用的试验件为中心裂纹拉伸M(T)试验件，试验件中心位置有一六边形缺口，缺口穿透整个厚度方向，六边形上下两边平行试验件宽度方向，上下两边距离为:1～5mm，左右两个顶点位于水平方向的中心线上，两个顶点相距5～20mm，连接每个顶点的两条边夹角为30～90°，且相对于水平方向的中心线对称。

[0012] 压-压循环载荷所采用的最大压缩载荷，应使裂纹尖端应力强度因子绝对值其中σy为材料的屈服强度。

[0013] 压-压循环载荷所采用的应力比为R＝10～40。

[0014] 压-压循环载荷施加100000～200000循环，使裂纹扩展至0.1～0.3mm。

[0015] 利用残余拉应力区，施加同类材料的疲劳裂纹扩展门槛值的50～80％的载荷使裂纹扩

[0016] 本发明所具有的优点和效果：采用压-压循环载荷预制裂纹，只需施加较大的压-压循环载荷即可使裂纹快速萌生，由于此时裂纹尖端的残余应力为拉应力，且由压缩载荷带来的残余拉应力区相对拉伸载荷带来的残余压应力区尺寸较小，预制裂纹后，直接采用较小的拉-拉循环载荷即可使裂纹快速地扩展出残余拉应力区，此时裂纹尖端将不受残余应力区的影响，可直接施加合适的载荷测量疲劳裂纹扩展门槛值。这一方法由于避免了十分耗时的逐级降载过程，可直接测量疲劳裂纹扩展门槛值，通常测试1条疲劳裂纹扩展门槛值数据曲线只需要3～5天，大大节省了测试门槛值的时间，同时有效避免了残余应力区对门槛值测试的影响。

附图说明

[0017] 图1是本试验方法的试验流程图；

[0018] 图2是本试验方法中所设计的试验件尺寸图纸。

具体实施方式

[0019] 以下结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述。如图1所示：

[0020] 试验方法包括：设计易于在压-压循环载荷下产生疲劳裂纹的试验件，该试验件中心的缺口部分应具有尖锐棱角，使得试验件在受到压缩载荷时，缺口周围易于产生残余拉应力区。估算疲劳裂纹压-压循环载荷并施加载荷以产生裂纹，估算压缩载荷时，应根据材料的屈服强度计算载荷大小，压缩载荷应足够大，以使缺口处产生残余拉应力，从而能够萌生裂纹。受残余拉应力区尺寸的限制，该载荷施加一定循环后，残余拉应力将不足以使裂纹继续扩展，此时裂纹将停止扩展。采用有限元方法计算残余拉应力区尺寸。制定裂纹扩展方案使裂纹尖端扩展出由压-压循环载荷产生的残余拉应力区，在这一过程中，需施加较小的拉-拉循环载荷，选取拉-拉循环载荷时，载荷不宜过大或过小，载荷过小裂纹将不会继续扩展，载荷过大则裂纹扩展出残余拉应力区后不能停止扩展，需要重新降低载荷，这将会降低测试效率。当裂纹扩展出残余拉应力区后，逐步增加载荷使裂纹扩展开始扩展，测得裂纹扩展门槛值。

[0021] 所采用的试样为中心裂纹拉伸M(T)试验件，推荐的试样中心位置有一六边形缺口，缺口穿透整个厚度方向，六边形上下两边平行试验件宽度方向，上下两边距离为:1～5mm，左右两个顶点位于水平方向的中心线上，两个顶点相距5～20mm，连接每个顶点的两条边夹角为30～90°，且相对于水平方向的中心线对称。

[0022] 压-压循环载荷所采用的最大压缩载荷，应使裂尖应力强度因子绝对值其中σy为材料的屈服强度。

[0023] 压-压循环载荷所采用的应力比为R＝10～40。

[0024] 受残余拉应力区尺寸的限制，压-压循环载荷施加一定循环后，残余拉应力将不足以使裂纹继续扩展，此时裂纹将停止扩展。通常压-压循环载荷施加100000～200000循环，可使裂纹扩展至0.1～0.3mm。

[0025] 利用残余拉应力区，施加同类材料的疲劳裂纹扩展门槛值的50％～80％的载荷即可使裂纹扩展。

[0026] 当裂纹扩展出残余拉应力区后，由于所施加的载荷低于材料的裂纹扩展门槛值，裂纹将停止扩展，此时，按每级载荷增加5％～10％进行加载，当每1000000个循环后可观测裂纹扩展0.1mm时，即可测得疲劳裂纹扩展门槛值。

[0027] 实施例

[0028] 1.设计能够在压-压循环载荷下产生疲劳裂纹的试验件。所设计的试验件形式为便于施加压缩载荷的中心裂纹拉伸M(T)试验件，在试验件中心位置制造能够产生裂纹的缺口即可。这里给出一种能够实现的试验件尺寸，如图2所示：试样中心位置加工一六边形缺口，缺口穿透整个厚度方向，六边形上下两边平行试验件宽度方向，上下两边距离为3.5mm，左右两个顶点位于水平方向的中心线上，两顶点相距10mm，连接每个顶点的两条边夹角为60°，且相对于水平方向的中心线对称；

[0029] 2.估算疲劳裂纹压-压循环载荷并施加载荷以产生裂纹，最大压缩载荷应使裂纹尖端应力强度因子绝对值选取 其中σy为材料的屈服强度，应力比选取R＝40。压-压循环载荷施加100000循环，使裂纹扩展至0.2mm，此时由于压缩载荷产生的残余拉应力区尺寸有限，裂纹将停止扩展；

[0030] 3.采用有限元方法计算残余拉应力区尺寸；

[0031] 4.在试验件上施加拉-拉循环载荷，载荷值为使裂纹尖端应力强度因子为试验件材料类型的疲劳裂纹扩展门槛值典型值的80％，施加该载荷使裂纹扩展，直至裂纹尖端在1000000个循环下不扩展，即认为裂纹尖端扩展出残余拉应力区，由于所施加的载荷使裂纹尖端应力强度因子低于裂纹扩展门槛值，此时裂纹将不再扩展；

[0032] 5.逐级增加载荷，每级增加的载荷量为上级载荷量的10％，直至裂纹开始扩展，继续调整载荷，使裂纹在1000000个循环下扩展0.1mm，测得裂纹扩展门槛值。