本站小編為你精心準備了疲勞裂紋擴展試驗方法與應用參考范文，愿這些范文能點燃您思維的火花，激發您的寫作靈感。歡迎深入閱讀并收藏。

《工程力學雜志》2015年第S1期

摘要：

航空航天、核反應堆工程等重要工程結構的安全控制對材料斷裂性能有重要需求，小尺寸試樣斷裂韌性測試需求日益凸顯。該文提出了一套用于小尺寸構件疲勞裂紋擴展速率測試的C形環小試樣試驗方法，設計了試樣構形和試驗夾具，并基于有限元分析和柔度法理論，建立了C形環小試樣裂紋長度預測公式和應力強度因子K的表達式。對于低壓轉子材料26NiCrMoV11-5鋼，采用C形環小試樣和標準CT試樣完成了疲勞裂紋擴展試驗，獲得了材料的疲勞裂紋擴展特性，并討論了新方法的有效性。

關鍵詞：

C形環試樣；有限元分析；柔度公式；應力強度因子；疲勞裂紋擴展速率

斷裂韌性是衡量材料或構件抵抗斷裂破壞行為的重要力學性能參數，在工程構件的結構完整性評價中起著至關重要的作用。在航空航天、核反應堆以及化工裝備等工業工程中，伴隨安全分析精細化的發展趨勢，實現小尺寸試樣獲取材料斷裂韌性的研究具有重要意義。薄板[1]、薄壁管件[2]等小尺寸構件得到了廣泛的應用，輻照環境下壓力容器檢測試樣由于反應堆內空間限制[3]也向小型化發展。

在結構安全評定及壽命預估中，疲勞裂紋擴展速率常用于表征結構疲勞性能[4－5]，是疲勞破斷分析的重要指標。對于含I型張開型裂紋構件，現行斷裂韌性測試標準[6－7]推薦了基于緊湊拉伸及三點彎曲兩種加載方式下的試樣構形。由于CT試樣(緊湊拉伸試樣)需預留加載孔位置，SEB試樣(三點彎曲試樣)需在跨距之間安裝用于測量裂紋張開位移的位移計，兩種構形設計無法滿足小尺寸構件或特殊環境下的測試要求。國內外現行斷裂理論與基于標準試樣的斷裂測試方法已較為成熟，但基于有工程價值的小尺寸試樣的斷裂測試方法尚較少報道。基于小試樣獲取斷裂性能不僅有必要性也有可行性，首先，在役結構中，從已成型的構件割取大尺寸試樣進行測試幾乎不可能；其次，考慮輻照、高壓條件下材料時效問題，通常預加工試樣，因環境空間狹小，測試樣品的尺寸和數量均受到很大限制；第三，對于獲取困難或價格昂貴的特殊材料，小尺寸試樣對于增加測試選擇、獲得更多測試數據提供了可能。然而，現行測試方法均無法通過小尺寸試樣獲取材料斷裂性能。為了實現小尺寸試樣斷裂韌性測試，必須對試樣構形及加載裝置做出適當設計并建立有效的測試方法，以滿足工程結構安全評價的實際需求。改變試樣構形與加載方式是實現斷裂韌性測試的試樣小型化的可行思路，國內外學者對不同加載形式進行了探索，Atkins[8－9]受機械加工中的切削理論啟發對采用切割方式獲取非金屬材料的斷裂性能進行了初步研究，但切割方法無法直接適用于帶裂紋金屬材料試樣的斷裂性能測試。縮小標準試樣尺寸試樣[10－11]是有效節約材料的手段，但實驗獲取的斷裂性能有效性值得研究。El-Shennawy等[12]提出利用焊接方法獲得的滿足斷裂韌性有效性判定的小尺寸試樣的復合形式，但焊接行為對材料斷裂性能影響值得考慮。現有小試樣斷裂韌性測試方法尚難滿足需求，本文基于試樣小型化思路，開展了C形環小試樣試驗方法研究。

1試樣與加載裝置設計

考慮試樣小型化以及I型裂紋受力特點，設計了如圖1所示小尺寸C形環試樣。該C形環試樣具有初始裂紋缺口，開口一側設計了便于引伸計安裝的燕尾式刀口，可直接測量試樣的張開位移。在刀口后方預留易于加載夾具安裝的楔形切口。試樣內壁兩側設置半徑為1.2mm的對稱加載孔，用于加載銷的定位，可有效防止加載輥在加載過程中因試樣轉動出現較大的側向滑移。試樣設計的基本思路源于緊湊拉伸試樣，但卻把CT試樣一側的兩個銷釘孔簡化為位于中心的一個孔，有效減小了試樣尺寸。試樣內徑r1與外徑r2的尺寸可根據工程構件的尺寸條件進行調整選取。在固定試樣內徑r1=6mm的情形下，本文對內外徑比R=r1/r2取0.2~0.6范圍內的試樣進行研究。若取C形環試樣的外徑為10mm，其大小僅為標準CT試樣的30%，如果進一步減小C形環試樣的內外徑尺寸，還可以滿足更小尺寸的取樣要求。加載裝置由夾持桿、U型槽與傳力銷組成，如圖2所示，夾持桿上部由MTS材料試驗機夾頭抱緊，下部與U型槽固結。U型槽與傳力銷接觸位置設置榫卯結構緊密連接，并由螺栓固緊。傳力銷整體為半圓柱形，可直接通過試樣開口安裝。傳力銷兩側各設加載錕，試樣裂紋受力張開后，加載孔保持受均勻載荷。為保證傳力銷剛度，其尺寸與試樣開口寬度接近。加載輥設計為插入式，在配合刀口尺寸的前提下，盡量提升傳力銷截面積。加載裝置采用經熱處理后的高強高硬鋼加工而成，加載裝置應保證整體剛度以減少加載過程中其變形對試驗的影響。

2有限元分析

為了獲取C形環試樣的裂紋長度預測公式，采用有限元方法模擬試樣受力過程，獲得載荷-位移數據。采用ANSYS12.0，依據試樣幾何對稱特性，取試樣結構的1/2分別建立圖3所示C型環試樣的三維有限元模型及相應平面模型，三維實體模型采用solid185單元進行網格劃分，平面模型則取用plane183單元。分別進行平面應力、平面應變和三維實體狀態下，不同初始裂紋長度、不同內外徑比的線彈性模擬計算。其中，試樣彈性模量E取為200GPa，泊松比取為0.3。綜合考慮計算成本、結果精度等因素，對裂尖附近t/10(t為C形環試樣壁厚)范圍內進行網格細化，三維模型裂尖單元數約為14000個。模型裂紋面均采用自由邊界，對應的韌帶部分設置為y向對稱約束，對加載孔施加均布載荷。

2.1基于柔度法的裂紋長度預測公式柔度反映了試樣構件變形的能力，定義為彈性變形范圍內試樣的加載位移增量與載荷增量的比值。柔度法的原理即以柔度變化來監測裂紋尺寸的變化。考慮關于柔度C的無量綱量U∶U=[(BEC)0.5+1]1，式中B為試樣厚度，E為材料彈性模量，可通過有限元分析得到無量綱裂紋尺寸a/t與U之間的關系方程。圖4分別給出了基于平面應力、平面應變和三維實體三種分析模型條件下得到的不同內外徑比R的C形環試樣的無量綱裂紋尺寸a/t隨無量綱量U變化的演化規律。從圖4不難看出，在0.2≤R≤0.6范圍內，不同分析模型得到的a/t~U演化規律非常接近。進一步分析表明，a/t與U之間滿足式(1)所示的函數關系。

2.2應力強度K因子公式應力強度因子K是關于載荷及試樣幾何尺寸等參量的函數，是進行斷裂韌性和疲勞裂紋擴展行為的關鍵力學量。圖6給出了根據線彈性有限元分析得到的在平面應力和平面應變條件下的K因子隨無量綱裂紋尺寸a/t的變化規律。可以看到，由兩種分析模型得到的K因子的演化規律差異較小，但C形環試樣的內外徑比R對K因子的變化規律影響較為顯著。進一步分析表明，C形環試樣的應力強度因子K滿足如下關系。

3疲勞裂紋擴展速率試驗

分別對C形環試樣和標準緊湊拉伸(CT)試樣完成了疲勞裂紋擴展速率實驗，對C形環試樣用于材料疲勞裂紋擴展行為的表征的可行性、有效性研究有重要意義。

3.1材料、試樣與試驗設備試驗材料為低壓轉子材料26NiCrMoV11-5鋼，材料彈性模量E=191GPa，屈服強度s=692MPa，抗拉強度b=844MPa，材料加工為C形環試樣(圖8)和標準CT試樣(圖9)。其中，C形環試樣采用初始裂紋長度a0=1.8mm，試樣內徑=6mm，外徑=15mm，厚度均為15mm。標準緊湊拉伸試樣(CT試樣)規格為62.5mm×60mm×10mm，即試樣寬度W=50mm，試樣厚度B=BN=10mm，初始裂紋長度a0=10mm。采用2個C形環試樣和2個CT試樣完成疲勞裂紋擴展速率試驗。C形環試樣和CT試樣的疲勞裂紋擴展試驗均在MTS80925kN試驗機上完成，均采用標距為5mm的常溫COD引伸計MTS632.02F-20測量C形環試樣和CT試樣的裂紋嘴張開位移。C形環試樣采用設計加載裝置進行加載，CT試樣采用標準U型夾具進行加載。圖10和圖11分別為C形環試樣疲勞裂紋擴展試驗和CT試樣疲勞裂紋擴展試驗的現場照片。

3.2試驗及數據處理方法根據材料疲勞裂紋擴展速率標準試驗方法要求，對C形環試樣和CT試樣均進行了疲勞裂紋的預制。其中，C形環試樣的疲勞裂紋預制根據初始裂紋的擴展速率逐級降載的方式實現，預制裂紋增量0.5mm~1mm；CT試樣的疲勞裂紋預制采用MTS790.50標準斷裂軟件根據降K方式實現，預制裂紋增量約2mm。對于兩種試樣構形，在預制疲勞裂紋完成后，均采用MTSTestSX多功能軟件根據恒載方式完成疲勞裂紋擴展試驗，C形環試樣的裂紋擴展增量達到約4mm后停止試驗，CT試樣的裂紋擴展增量約10mm后停止試驗。兩種試樣的加載比均為0.1。采用自編VB程序根據相應的柔度計算公式對原始實驗數據進行處理得到各試樣的裂紋尺寸a-壽命N曲線，然后對(a,N)數據進行移動平均處理以降低數據的分散程度，最后采用割線法及相關公式處理得到各試樣的da/dN-ΔK數據。在獲得各試樣的da/dN-ΔK曲線后，對其穩定擴展階段進行分析得到Paris律及模型參數。

3.3結果分析及討論圖12給出了兩種試樣構形對應材料無量綱裂紋長度與疲勞壽命的a/a0-N曲線，a0為試樣初始裂紋長度。從圖中可以看到，對于同一構形的兩個不同試樣，得到的a/a0-N曲線存在一定的分散性。圖13給出了兩種試樣構形對應材料的da/dN-ΔK曲線，各圖中均給出了對應構形試樣的穩定疲勞裂紋擴展階段，數據分散性較小。圖13中一并給出了Paris律模型，C形環試樣和CT試樣的Paris律模型參數分別列于表3中。以上結果表明，試樣加載載荷比恒定時，隨著裂紋增長，應力強度因子幅及裂紋擴展速率均呈不斷增大的趨勢，且增長速率逐步加快，a-N曲線中體現出冪指數規律。采用同一試樣構型且材料相同的不同試樣，均符合Pairs律，實驗結果分散性較小，反應材料規律較為可信。從圖13可以看到，對于26NiCrMoV11-5鋼，不同構形共計四個試樣得到的da/dN-ΔK曲線幾乎重合，CT試樣和C環的結果在平面應力條件下十分接近，采用C形環小試樣表征材料裂紋性能具有較大的尺寸優勢。

4結論

(1)創新設計了適用于多種斷裂性能測試的小尺寸C形環試樣，開發了基于MTS實驗平臺的加載工裝；(2)利用有限元計算提出了小尺寸C形環試樣裂紋長度預測公式、K因子公式等基本斷裂力學量的算式；(3)結合CT和C形環兩種試樣構型，完成了26NiCrMoV11-5鋼裂紋擴展速率行為研究，獲得了較為一致的da/dN-ΔK曲線。采用C形環小試樣預測材料疲勞性能利于對于節約材料，在役結構取樣具有十分重要的工程意義。

參考文獻：

[1]鐘飛.航空輕合金薄板激光焊接頭的斷裂韌性研究[D].北京:北京工業大學,2005.ZhongFei.Studyonfracturetoughnessoflaserweldedjointsforaviationlightalloysheets[D].Beijing:BeijingUniversityofTechnology,2005.(inChinese)

[2]范娟,李付國,王少剛,等.薄壁管件周向力學性能測試裝置及方法[J].實驗力學,2010,25(6):641―646.FanJuan,LiFuguo,WangShaogang,etal.Deviceandmethodfortestingcircumferentialmechanicsperformanceofathinwalledtube[J].JournalofExperimentalMechanics,2010,25(6):641―646.(inChinese)

[3]程瑞.核電壓力容器鋼輻照脆化力學效應模擬和斷裂韌性預測[D].上海:華東理工大學,2012.ChenRui.Simulationofeffectsofirradiationembrittlementonmechanicalpropertiesofnuclearpressurevesselsteelandpredictionofitsfracturetoughness[D].Shanghai:EastChinaUniversityofScienceandTechnology,2012.(inChinese)

[4]黃學偉,蔡力勛,包陳,陳龍.基于低周疲勞損傷的裂紋擴展行為數值模擬新方法[J].工程力學,2011,28(10):202―208.HuangXuewei,CaiLixun,BaoChen,ChenLong.Anewmethodofnumericalsimulationforbehavioroffatiguecrackpropagationbasedonlowcyclefatiguedamage[J].EngineeringMechanics,2011,28(10):202―208.(inChinese)

[5]陳龍,蔡力勛.基于材料低周疲勞的裂紋擴展預測模型[J].工程力學,2012,29(10):34―39.ChenLong,CaiLixun.Thelowcyclicfatiguecrackgrowthpredictionmodelbasedonmaterial’slowcyclicfatigueproperties[J].EngineeringMechanics,2012,29(10):34―39.(inChinese)

[6]ASTME1820-11.Standardtestmethodsformeasurementoffracturetoughness[S].Philadelphia,Pennsylvania,2011.

[7]GB/T21143-2007,金屬材料準靜態斷裂韌度的統一試驗方法[S].中國:中國標準出版社,2007.GB/T21143-2007,Metallicmaterials—Unifiedmethodoftestfordeterminationofquasistaticfracturetoughness[S].China:StandardsPressofChina,2007.(inChinese)

[8]AtkinsAG.Modellingmetalcuttingusingmodernductilefracturemechanics:Quantitativeexplanationsforsomelongstandingproblems[J].InternationalJournalofMechanicsandScience,2003,45(2):373―396.

[9]AtkinsAG.Toughnessandcutting:Anewwayofsimultaneouslydeterminingductilefracturetoughnessandstrength[J].EngineeringFractureMechanics,2005,72(6):849―860.

[10]OnoH,KasadaR,KimuraA.SpecimensizeeffectsonfracturetoughnessofJLF-1reduced-activationferriticsteel[J].JournalofNuclearMaterials,2004,329/330/331/332/333(1):1117―1121.

[11]Jayet-GendrotS,OuldP,MeyloganT.Fracturetoughnessassessmentofin-serviceagedprimarycircuitelbowsusingmini-CTspecimenstakenfromouterskin[J].NuclearEngineeringandDesign,1998,184(1):3―11.

[12]El-ShennawyM,MinamiF,ToyodaM,etal.Crack-tipplasticconstraintactivatorsandtheapplicationtoplane-strainfracturetoughnesstest:Proposalonsmall-sizefracturetoughnessspecimen[J].EngineeringFractureMechanics,1999,63(4):447―479。

作者：但晨 蔡力勛 包陳 單位：西南交通大學力學與工程學院