本發(fā)明涉及金屬材料疲勞裂紋擴(kuò)展速率檢測，具體涉及一種分段測試的疲勞裂紋擴(kuò)展速率試驗(yàn)方法。

背景技術(shù)：

1、隨著飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)的發(fā)展以及損傷容限設(shè)計理念的出現(xiàn)，金屬疲勞裂紋的形成和擴(kuò)展受到了極大關(guān)注。金屬疲勞裂紋在循環(huán)載荷下擴(kuò)展至發(fā)生突然失效需經(jīng)歷一段穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展期，且此期間的裂紋擴(kuò)展量足夠大，若能有效掌握并控制材料在此階段的疲勞裂紋擴(kuò)展行為特性，將顯著提高飛機(jī)壽命估算的準(zhǔn)確性。因此，研究帶裂紋結(jié)構(gòu)在外加應(yīng)力、裂紋長度及構(gòu)件幾何形狀等條件下的疲勞裂紋擴(kuò)展速率，以及平均應(yīng)力、試驗(yàn)頻率與環(huán)境條件等因素對裂紋擴(kuò)展速率機(jī)制的影響，具有重要的工程應(yīng)用需求與科學(xué)理論指導(dǎo)價值。目前，在航空等重要工程領(lǐng)域，金屬材料的疲勞裂紋擴(kuò)展性能已經(jīng)成為設(shè)計、選材、壽命估算的關(guān)鍵性能指標(biāo)之一。

2、金屬材料的穩(wěn)態(tài)條件下的疲勞裂紋擴(kuò)展速率常用paris公式表示，即，該公式常用于材料的損傷容限設(shè)計。金屬材料的疲勞裂紋擴(kuò)展速率試驗(yàn)方法目前常用的標(biāo)準(zhǔn)包括astm?e647、gb/t6398-2017、hb5216-82等，測試方法比較復(fù)雜，屬于金屬材料力學(xué)性能測試的復(fù)雜試驗(yàn)，該試驗(yàn)的難點(diǎn)主要在于試樣疲勞裂紋長度的測量以及后續(xù)數(shù)據(jù)的處理。一般情況下使用一個試樣，先將試樣加工出一段初始缺口長度an，隨后在此缺口長度上預(yù)制一段約1mm的疲勞裂紋，隨后在固定大小的載荷、應(yīng)力比下，以固定的試驗(yàn)頻率進(jìn)行疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)，試驗(yàn)過程中記錄試驗(yàn)的載荷、疲勞裂紋長度、循環(huán)次數(shù)等信息，最后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理獲得paris公式的擬合公式及裂紋穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展條件下的疲勞裂紋擴(kuò)展da/dn-曲線。

3、目前，疲勞裂紋擴(kuò)展速率試驗(yàn)常用的試樣有三種：中心裂紋拉伸試樣、緊湊拉伸試樣、單邊缺口三點(diǎn)彎曲試樣；裂紋長度的測量方法有三種：目測法、柔度法和電位法，其中較為常用的是柔度法。但當(dāng)前材料柔度法測試試樣的裂紋長度存在限制條件，因此也限制了其運(yùn)用范圍。采用柔度法測試試樣的裂紋長度有前提條件，對于中心裂紋拉伸試樣，要求2an≥0.2w，對于緊湊拉伸試樣，要求an≥0.2w，其中an為初始裂紋長度，w為試樣寬度。但是有些產(chǎn)品規(guī)范在給出材料的疲勞裂紋擴(kuò)展速率測試條件時，對裂紋擴(kuò)展的初始長度、終了長度、試樣尺寸、的最小值及最大值均有要求，在這些條件下實(shí)際上不可能采取柔度法測試。比如對于中心裂紋拉伸試樣，要求試樣寬度160mm，中心裂紋長度從4mm擴(kuò)展到55mm，并且要求能夠測得從擴(kuò)展到對應(yīng)的疲勞裂紋擴(kuò)展速率，如果按照2an≥0.2w的要求，采用柔度法要想獲得準(zhǔn)確的裂紋長度，2an至少應(yīng)為32mm，無法測試從4mm擴(kuò)展到32mm的疲勞裂紋擴(kuò)展速率，而且如果按照32mm的初始裂紋開始試驗(yàn)，要測得從擴(kuò)展到對應(yīng)的疲勞裂紋擴(kuò)展速率，當(dāng)達(dá)到時，裂紋長度已經(jīng)過長，整個試樣也已經(jīng)失穩(wěn)斷裂，無法準(zhǔn)備測得該試樣的擴(kuò)展后期的疲勞裂紋擴(kuò)展速率。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種分段測試的疲勞裂紋擴(kuò)展速率試驗(yàn)方法。

2、本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

3、本發(fā)明提供了一種分段測試的疲勞裂紋擴(kuò)展速率試驗(yàn)方法，利用柔度法對中心裂紋拉伸試樣進(jìn)行疲勞裂紋擴(kuò)展速率試驗(yàn)，包括步驟：

4、（1）確定待測試試樣的疲勞裂紋擴(kuò)展速率試驗(yàn)要求，包括試樣寬度w0、裂紋長度擴(kuò)展范圍2a0min~2a0max、測量范圍~；

5、（2）按照柔度測試法中對中心裂紋拉伸試樣的制樣要求，計算在步驟（1）的試樣寬度w0下的中心裂紋拉伸試樣的初始裂紋長度最小值2a0，分析該初始裂紋長度2a0是否大于步驟（1）試驗(yàn)要求的裂紋長度擴(kuò)展范圍的最小值2a0min，若2a0＞2a0min，則根據(jù)裂紋長度擴(kuò)展范圍要求劃分為n段進(jìn)行測試；

6、（3）在分段測試時，需要確定分段數(shù)量以及每一段測試試樣的試樣寬度、初始裂紋長度、最終裂紋長度、加載載荷及測量范圍，且每一段測試試樣的試樣寬度、初始裂紋長度符合柔度測試法中對中心裂紋拉伸試樣的制樣要求；

7、（4）按照劃分的分段進(jìn)行試驗(yàn)，待分段測試完成后，將分段測試數(shù)據(jù)合并，得到試驗(yàn)要求的裂紋長度擴(kuò)展范圍以及測量范圍下的da/dn-曲線，即疲勞裂紋擴(kuò)展速率曲線。

8、進(jìn)一步地，所述步驟（2）中在試樣寬度為w0時，中心裂紋拉伸試樣的初始裂紋長度2a0=0.2w0。

9、進(jìn)一步地，所述步驟（3）分段劃分的具體步驟為：

10、（31）根據(jù)步驟（1）試驗(yàn)要求的裂紋長度擴(kuò)展范圍，將裂紋長度擴(kuò)展范圍的最小值2a0min作為第一段測試試樣的初始裂紋長度2a1min，并設(shè)定試樣裂紋擴(kuò)展區(qū)間為（0.2~0.8）w1，則第一段測試試樣的最終裂紋長度2a1max≤0.8w1，同時根據(jù)第一段測試試樣的初始裂紋長度2a1min計算得到第一段測試試樣的試樣寬度w1=10a1min；

11、（32）如果第一段測試試樣的最終裂紋長度2a1max≥0.2?w0，則設(shè)置第二段測試試樣的初始裂紋長度2a2min=2a1max，w2=?w0；如果2a1max＜0.2?w0，設(shè)定第二段測試試樣初始裂紋長度2a2min=2a1max，w2=10a2min，并設(shè)定試樣裂紋擴(kuò)展區(qū)間為（0.2~0.8）w2，則第二段測試試樣的最終裂紋長度2a2max≤0.8w2；

12、（33）判斷第二段測試試樣的最終裂紋長度2a2max是否超過2a0max，如果2a2max≥2a0max，則試驗(yàn)完成，否則進(jìn)行步驟（34）；

13、（34）如果2a2max＜2a0max，則繼續(xù)增加第n段測試試樣，所增加的第n段測試試樣的初始裂紋長度、最終裂紋長度及試樣寬度的確定方法同步驟（32），直至完成試驗(yàn)要求的裂紋長度擴(kuò)展范圍，即2anmax≥2a0max。

14、進(jìn)一步地，所述步驟（3）中每一段測試試樣的加載載荷及范圍~的確定方法為：

15、第n段測試試樣的為：

16、；

17、第n段測試試樣的加載載荷為：

18、；

19、第n測試試樣能夠獲得的為：

20、；

21、其中，為系數(shù)，取0.8~1.0，，，n為序號，表示第n段測試試樣，wn為第n段測試試樣的寬度，2anmin為第n段測試試樣的初始裂紋長度，2anmax為第n段測試試樣的最終裂紋長度，b為試樣厚度。

22、進(jìn)一步地，所述步驟（3）中判斷試驗(yàn)是否完成時，除滿足裂紋長度擴(kuò)展范圍要求外，還需要同時判斷?k測量范圍是否滿足要求，即當(dāng)最后段測試試樣滿足2anmax≥2a0max時，還需同時滿足，則試驗(yàn)完成，如果，則再取新的測試試樣，增大第n段和/或第n-1段測試試樣在試驗(yàn)過程中的加載載荷，直至，試驗(yàn)完成。

23、進(jìn)一步地，所述步驟（4）具體為：

24、（41）將n段測試試樣的分段測試數(shù)據(jù)合并，形成-da/dn數(shù)據(jù)對，將數(shù)據(jù)對按照升序排序，得到da/dn-曲線；

25、（42）將-da/dn數(shù)據(jù)對分別取以10為底的對數(shù)，形成log()-log(da/dn)數(shù)據(jù)對，并根據(jù)log()-log(da/dn)數(shù)據(jù)對進(jìn)行線性擬合，得到log()、log(da/dn)相關(guān)的擬合公式，將該擬合公式變換成paris公式，即：

26、；

27、其中，da/dn為單位循環(huán)次數(shù)下的裂紋擴(kuò)展量，即裂紋擴(kuò)展速率；c、m為與材料有關(guān)的常數(shù)，為應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍。

28、本發(fā)明的有益效果為：

29、本發(fā)明提供了一種分段測試的疲勞裂紋擴(kuò)展速率試驗(yàn)方法，將試驗(yàn)要求的裂紋長度擴(kuò)展區(qū)間及測量范圍劃分為若干段進(jìn)行測試，且每一段測試試樣的試樣尺寸與裂紋長度關(guān)系滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，然后將各段測試數(shù)據(jù)合并即可得到完整的滿足試驗(yàn)要求疲勞裂紋擴(kuò)展速率曲線，能夠解決在標(biāo)準(zhǔn)要求的試樣尺寸與裂紋長度關(guān)系限制下不能通過一個試樣完成試驗(yàn)要求的測試條件的問題。