一种悬臂弯曲加载金属材料疲劳损伤的试验测量方法

摘要

一种悬臂弯曲加载金属材料疲劳损伤的试验测量方法，根据损伤等效性原理，基于金属材料发生疲劳损伤时其施力点位移特征量必然发生变化的事实，并结合材料疲劳损伤变量的数学定义通过试验建立光滑板状试样疲劳损伤量和施力点位移特征量之间的函数关系，在光滑板状试样设置约束面(1)、缺口(2)、悬臂区(3)以及循环载荷P的施力点(4)，从而可以时时监测光滑板状试样的疲劳损伤量，再和光滑板状试样的疲劳损伤量临界值进行对比，就能够对金属材料或金属构件的安全可靠性服役进行评估，本发明只是从一个方向揭示了金属材料疲劳损伤的定量试验，但从宏观上测量金属材料的疲劳损伤提供了可能，具有推广应用之价值。

主权项

1.一种悬臂弯曲加载金属材料疲劳损伤的试验测量方法，采用光滑板状试样并由10CrNiMo结构钢制作而成，光滑板状试样总长度为420mm，约束面尺寸长×宽×厚=120mm×63mm×20mm，在光滑板状试样设置上下对称的半圆弧缺口，缺口半径R为55mm，缺口处的宽度W为63mm而其厚度t为12.7mm，悬臂长为245mm，循环载荷P的施力点距非约束端的距离L为35mm，通过光滑板状试样处于悬臂弯曲加载方式下的S-N疲劳曲线发现，疲劳裂纹萌生于光滑板状试样的缺口处附近且垂直于光滑板状试样的长度方向，疲劳裂纹产生数条，在循环载荷P作用下，数条疲劳裂纹不断沿缺口处的宽度和厚度方向进行扩展，扩展到一定程度后相互合并，最终导致光滑板状试样在缺口处产生疲劳断裂；如前所述，疲劳损伤的过程实际上是一个损伤累积过程，随着疲劳裂纹的不断扩展，疲劳损伤也不断累积，当累积达到损伤临界值时就会导致光滑板状试样疲劳失效；由于疲劳断裂之前，光滑板状试样往往没有明显的宏观塑性变形，因此这种断裂形式危险性极高；能否在光滑板状试样断裂之前就采用一定的技术手段，测试出其疲劳损伤量，然后和损伤临界值比较以判断光滑板状试样的剩余疲劳寿命试验结果表明：在恒定的循环载荷作用下，随着光滑板状试样疲劳损伤的累积增加，光滑板状试样在施力点的位移特征量如峰值、谷值及由此计算出的幅值和均值也会发生相应变化，如果能够建立试样疲劳损伤大小和施力点的位移特征量关系，那么就可以在任一时刻通过测量施力点的位移特征量变化而获得该时刻光滑板状试样的疲劳损伤大小；然而要想建立光滑板状试样疲劳损伤大小和施力点的位移特征量关系，需要通过数据处理回归的方式获得上述二者间的关系，施力点的位移峰值和谷值变化可以通过计算机数据采集得到，幅值和均值可以通过峰值和谷值计算得到，关键是如何测量试样疲劳损伤的大小；根据损伤力学理论，可以用一个损伤变量D来描述光滑板状试样的疲劳损伤情况，并用下式来定义损伤变量的大小：$D=1-\frac{A\text{'}}{A}=\frac{\mathrm{\Delta A}}{A}$上式中，A为缺口处的初始面积，A′为试样实际承载面积，△A为材料损伤后不能承载的试样面积；根据上式可见：缺口处的初始面积A可以通过A=Wt得到，只要能测量出任一时刻缺口处因受疲劳损伤而减少的面积△A，就能够计算出相应时刻光滑板状试样的损伤变量D，然而如上所述，疲劳裂纹的萌生具有多源性，很难直接测量出缺口处上下表面由于数条裂纹而减少的面积△A；根据损伤的等效性原理，即由数条疲劳裂纹萌生而使光滑板状试样有效承载面积减少所造成的疲劳损伤对应于相应位移特征量的变化，总可以等效为一条表面裂纹由于扩展而减少光滑板状试样有效承载面积所造成的疲劳损伤，而一条表面裂纹由于扩展而减少的光滑板状试样承载面积是可以测量出的，从光滑板状试样横断面产生半椭圆状表面裂纹的扩展示意简图来看，其椭圆面积涉及到初始表面裂纹缺口长度2c₀和初始表面裂纹深度a₀这两个参数，只要能够测量出扩展表面裂纹缺口长度2c和扩展表面裂纹缺口深度a，就能够计算出光滑板状试样减少的承载面积；为便于观察，在光滑板状试样的上缺口处加工出一个近半椭圆形的初始裂纹，初始裂纹的面积A_缺口=1/2πa₀c₀，在恒载荷循环作用下，初始裂纹不断沿其长度和深度方向进行扩展，不断的等间隔测量初始裂纹处的面积变化量，即△A=A_当前-A_缺口=1/2πac-1/2πa₀c₀=1/2π(ac-a₀c₀)，并与施力点的位移特征量建立数学关系，从而就可以实现间接测量光滑板状试样的疲劳损伤量；其特征是：①加工3-5件光滑板状试样，并对光滑板状试样逐一进行编号，在光滑板状试样缺口处的上表面采用铣切的方式加工一个引发表面裂纹扩展的初始裂纹，初始裂纹的2c₀=2.0mm，初始裂纹的a₀=1.0mm，光滑板状试样在悬臂弯曲加载方式下进行疲劳试验；②采用精度不低于0.02mm的量具测量光滑板状试样缺口处的宽度W、厚度t以及所述L；③将光滑板状试样的约束面夹持在试验机上，循环载荷P=4.0kN,试验频率f=1.0Hz，试验波形为正弦波；④启动所述试验机开始试验，在试验过程中采用精度为0.01mm的工具显微镜，定期测量和记录初始裂纹的扩展长度，同时采集施力点的位移特征量峰值和谷值；⑤分析处理初始裂纹的扩展长度并将采集到施力点的位移特征量峰值和谷值来计算出幅值和均值，寻求相关性较好的一组建立扩展表面裂纹缺口长度2c与施力点位移特征量峰值D_p的数据分布关系图及拟合方程；⑥试验过程中，每一件光滑板状试样当初始裂纹扩展到不同长度后，取下光滑板状试样进行发蓝处理约半小时，发蓝温度控制在300～400℃，当光滑板状试样冷却后重新安装到所述试验机上继续进行上述试验；⑦当光滑板状试样即将失稳时将所述试验机的控制模式由载荷转换为位移，并采用二次疲劳的方式打断光滑板状试样，用工具显微镜测量扩展表面裂纹缺口长度和扩展表面裂纹缺口深度，建立扩展表面裂纹缺口长度2c与扩展表面裂纹缺口深度a的数据分布图及拟合曲线；⑧计算出初始裂纹面积A_缺口=1/2πa₀c₀，根据上述计算出损伤变量D，并建立疲劳损伤量D与施力点位移特征量峰值D_p的数据分布图及拟合方程；⑨根据上述⑧所建立的函数关系，只要定期测量施力点的位移特征量，就可以获得相应的损伤变量D，再根据光滑板状试样的疲劳损伤量临界值，就可以对金属材料或金属构件进行安全可靠性评估。