疲劳裂纹扩展柔度法测量系统研究.doc

 2000 年 3 月 Mar. 2000 JOURNAL OF EXPERIMENTAL MECHANICS 文章编号 :100124888 (2000) 0120110205 Ξ 疲劳裂纹扩展柔度法测量系统研究 方钦志 , 张石山 , 赵明嗥 , 王建国 ( 机械工业部郑州机械研究所 先进制造技术中心 , 河南 郑州 450052) 摘要 : 为了寻求高温高压环境介质下的疲劳裂纹扩展的测量方法 ,本文研制了基 于柔度法的疲劳裂纹扩展系统 . 根据显微镜的标定结果 ,验证该计算机自动测量系统 给出了可信的测量结果. 其中 ,位移由涡流位移传感器测得 ,载荷由试验机自带的标准 传感器测得. 计算机实时采集并处理测试信号 ,给出裂纹扩展速率 . 文中介绍了该系统 的功能及应用前景. 作为应用实例 ,给出了 42CrV 和 IR3Mo 等钢种的疲劳裂纹扩展速率 及门槛值. 关键词 : 疲劳 ; 裂纹 ; 柔度法 ; 裂纹测量 中图分类号 : O346 . 1 文献标识码 : A 1 引言 疲劳裂纹的测量一直是疲劳断裂研究工作者所关心的问题之一 . 有许多方法可用来监测 裂纹起裂 、扩展和失稳 , 如光学法 ( 目测和图像) 、电测 ( 涡流 、电阻电位) 、超声 、声发射和柔度等 方法[1～3 ] . 其中光学法仍是最常用的方法之一 , 近年来电测方法得到了广泛的应用[1 , 2 ] . 对于 介质中的疲劳试验 , 这些方法都受到了不同程度的限制 . 柔度法用于 J 积分中裂纹扩展的测 量已列入了标准. 一般文献中[4 , 5 ] , 通常介绍的是使用传感器测量裂纹张开位移和作用载荷 , 用计录仪记录载荷位移曲线 , 测出其降载斜率 , 计算裂纹长度 , 这对 J 积分试验和频率很低的 疲劳试验可以实现 , 精度较低. 当频率稍高时 , 必须采用其它方法来解决这一问题 , 计算机的应 用为使用柔度法测量疲劳裂纹扩展 , 提供了较充足的条件. 为了减轻实验人员的劳动量 , 提高测量精度 , 减少人为误差 , 研制了柔度法疲劳裂纹扩展 测量系统. 为了使该系统可以用于高温高压环境介质下的疲劳裂纹扩展的测量 , 必须尽可能避 免在环境介质中测量信号 . 因而系统中选用测量加载点位移和作用载荷来计算柔度 , 这样有可 Ξ 收稿日期 : 1999202223 ; 修订日期 : 1999210215 基金项目 : 国家自然科学基金资助项目 作者简介 : 方钦志 (1962 —) ,男 ,1986 年毕业于西安交通大学研究生院 ,获硕士学位 ,郑州机械研究所高级工程师. 从 事疲劳断裂及可靠性研究. 能在环境箱外进行测量 , 给出较高精度的测量. 文中首先对空气中的应用作了较详细的介绍. 该系统的主要优点是可以适用于不同的测量环境和试验材料 , 缺点是对试验机的要求较高 , 一 般要求试验机满足国家标准. 试验机精度越高 , 测试数据的精度就越高. 2 柔度法测量裂纹长度的基本原理 任何结构或试件在外载作用下 , 均会产生一定的变形 , 变形量除以对应载荷的值定义为柔 度 , 它反映了该构件变形的能力. 当构件中产生裂纹或裂纹发生变化 , 其变形的能力 ( 即柔度) 也会发生变化 , 当其它条件不变时 , 柔度的变化可以用来监测裂纹的变化 , 柔度法测量裂纹就 是根据这个原理来实现的 . 对于标准试件 , 作用在试件上的载荷 P 将产生一个在载荷方向上 的位移 l , 在线弹性范围内 l/ P 是一个定值 C , 它可以反映试件中裂纹的长度. 对于疲劳试验 , 作用在试件上的是一个循环载荷 , 相应也将产生一个循环位移 , 在保证线性的情况下 , 可以用 对应任一载荷变化 ΔP 产生的位移变化Δl , 来求试件的弹性柔度 C = Δl/ ΔP. 一般认为对于裂纹扩展试件 , 塑性变形 、裂纹扩展或闭合的作用对载荷位移的变化均会产 生一定的影响 . 在加载过程中 , 会产生塑性变形 、裂纹张开和扩展. 在卸载的后期会产生裂纹闭 合和反向塑性变形 , 所以这时给出的表观柔度中包含了许多不定因素 . 在卸载的初期 , 除了有 可能产生些微裂纹扩展外 , 基本上可以确定为弹性卸载 , 因此选用从最高载荷开始卸载的一段 直线计算的柔度 , 可以更真实地反映试件中的裂纹长度 . 实际中就是根据这样计算的柔度值来 确定裂纹长度的. 由于是计算斜率 , 故对载荷位移的绝对值要求不高 , 精度上对载荷位移信号的同步和线性 度有较高的要求. 3 理论柔度的确定 对于带裂纹的矩形截面三点弯曲试件 , 其柔度 C 的计算公式可根据线弹性断裂力学的基 本公式得出. K2 P2 d C i = 2 B d a E′ ( 1) PS