一种裂纹扩展速率测试方法

摘要

本发明公开一种裂纹扩展速率测试方法，通过试验机对单边穿透裂纹试件施加交变载荷；每间隔一定载荷循环测量一次载荷‑位移曲线，对其线性段进行拟合，得到试件无量纲柔度值；根据夹持边界条件下，单边穿透裂纹无量纲柔度值与裂纹长度的关系式，求得裂纹长度；记录当前载荷循环数，得到裂纹长度‑载荷循环数曲线，确定裂纹扩展速率；计算对应的应力强度因子，获得离散数据对，拟合得到裂纹扩展速率参数。本发明的优点为：适用于正、负应力比下裂纹扩展速率测试，可进行裂纹长度的自动测量；测试系统适用范围广，特别适用于金属层合板、金属/复合材料层合板、陶瓷基复合材料及焊接材料等新型材料的裂纹扩展速率测试。

主权项

一种裂纹扩展速率测试方法，其特征在于：通过下述步骤完成：步骤1：试件制备；在测试板材上加工水平单边切口，使切口长度a₀与试件宽度W的比为0.2～0.3；步骤2：测试板材的装卡；将步骤1中得到的具有单边切口的测试板材夹持在试验机的上下夹头上，并使得试件中心线与夹头轴线重合；步骤3：预制单边穿透裂纹；步骤4：安装引伸计；将引伸计的两个刀口装卡在单边穿透裂纹试件上裂纹面上下位置；步骤5：测量载荷‑位移曲线，进而得到裂纹长度‑载荷循环数曲线；a、通过疲劳试验机对单边穿透裂纹试件施加轴向交变载荷，每间隔m个载荷循环，通过引伸计测量一次载荷‑位移曲线；m为正整数；b、将每次测量得到的载荷‑位移曲线上的直线段进行拟合，得到每次测量时，载荷‑位移曲线斜率值的倒数，记为试件的柔度(V/P)_i，V为试件开口位移大小，P为作用在试件上的力；计算得到无量纲化柔度U_i＝E·B·(V/P)_i；其中，i为载荷‑位移曲线测量次数，E为试件材料的杨氏模量；B为试件厚度；c、根据疲劳试验机夹持边界条件下，第N_i次载荷循环内试件无量纲化柔度U_i与实际裂纹长度a_i的关系，得到对应的裂纹长度a_i；同时记录第i次载荷‑位移曲线测量时，载荷循环次数N_i；从而获得第N_i次载荷循环对应的循环数N_i与裂纹长度a_i数据对，由此得到裂纹长度‑载荷循环数曲线；步骤6：确定裂纹扩展速率，并拟合得到裂纹扩展速率参数n与C；根据步骤5得到的裂纹长度‑载荷循环数曲线，通过割线法确定各个测量循环内的裂纹扩展速率：${\left(\frac{da}{dN}\right)}_i=\frac{a_{i+1}-a_i}{N_{i+1}-N_i}---\left(1\right)$根据疲劳试验机夹持边界条件下，第N_i次载荷循环的应力强度因子K_i与实际裂纹长度a_i的计算公式，得到：$K_i=\frac{P}{W}\sqrt{\pi \overline{a_i}}[f_{\sigma }(\overline{a_i}/W)-\frac{{\int }_0^{\overline{a_i}}t·f_{\sigma }(t/W)·f_M(t/W)dt}{\frac{LW}{6\pi }+{\int }_0^{\overline{a_i}}t·f_M^2(t/W)dt}{f}_M(\overline{a_i}/W)]---\left(2\right)$其中，为第N_i个载荷循环与第N_i+1个载荷循环的裂纹长度算术平均值，即L为试件长度；f_σ(t/W)为有限宽板单边裂纹在自由均匀拉伸作用下应力强度因子修正因子；f_M(t/W)为有限宽板单边裂纹在纯弯载荷作用下应力强度因子修正因子；t为积分变量；与分别为积分变量t取时，有限宽板单边裂纹在自由均匀拉伸作用与纯弯载荷作用下应力强度因子修正因子；采用Paris公式通过最小二乘法拟合得到裂纹扩展速率参数n与C；其中，j为应力强度因子的数量；ΔK_i为应力强度因子变程，ΔK_i＝K_imax‑K_imin，K_imax为应力强度因子最大值，为交变载荷峰值P_max对应的应力强度因子值；K_imin为应力强度因子最小值，为交变载荷谷值力P_min对应的应力强度因子值；当应力比R≥0时，K_imin由P_min按式(2)计算得到；当应力比R≤0时，K_imin＝0；且：