基于斷口定量反推和數(shù)值分析的材料初始損傷評估方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于材料初始損傷評估【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種材料初始損傷的評估方法，具體涉及一種利用光滑試樣開展疲勞試驗(yàn)，利用斷口定量反推和數(shù)值分析的方法評估、表征材料材的材質(zhì)和加工工藝的初始損傷。本發(fā)明利用光滑試樣，消除結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)的影響，不但方便試樣加工，而且可以直接評估材料中的缺陷或加工工藝效果；另外，利用斷口定量反推的方法獲得評估材料初始損傷所需的數(shù)據(jù)，不需要裂紋擴(kuò)展的監(jiān)測過程，試驗(yàn)過程方便、易行，可以明顯節(jié)約試驗(yàn)周期和經(jīng)費(fèi)。解決了直接利用已有的評估結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)原始疲勞質(zhì)量方法評估材料初始損傷存在的誤差大甚至不可行的問題，提高了材料初始損傷的估算精度。
【專利說明】基于斷口定量反推和數(shù)值分析的材料初始損傷評估方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于材料初始損傷評估【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種材料初始損傷的評估方法，具體涉及一種利用光滑試樣開展疲勞試驗(yàn)，利用斷口定量反推和數(shù)值分析的方法評估、表征材料材的材質(zhì)和加工工藝的初始損傷。
【背景技術(shù)】
[0002]材料的初始損傷與損傷容限設(shè)計(jì)中原始疲勞質(zhì)量有一定的相似性，但其內(nèi)涵又有不同。
[0003]材料中必然存在某些微觀缺陷(如夾雜、氣孔、位錯(cuò)等)甚至宏觀缺陷；材料在加工成構(gòu)件或試樣時(shí)也難免產(chǎn)生各種表面或內(nèi)部加工缺陷(如劃傷、刀痕、燒傷、焊接缺陷等)。將不包括形狀因素的材料、工藝相關(guān)的損傷和缺陷定義為材料的初始損傷。
[0004]材料、幾何因素、工藝狀態(tài)、裝配工藝狀態(tài)相關(guān)的統(tǒng)稱為原始制造狀態(tài)，又稱為原始疲勞質(zhì)量。原始疲勞質(zhì)量是基于損傷容限的思想提出的。損傷容限是指結(jié)構(gòu)及材料在正常工作載荷下，仍然保證工作安全可靠所容許的最大損傷程度或大小。損傷容限設(shè)計(jì)思想中的初始裂紋，就是指把這些存在于構(gòu)件中的初始缺陷綜合等效地歸結(jié)為一個(gè)非實(shí)體的當(dāng)量裂紋長度％，稱之為當(dāng)量初始裂紋長度，并以此作為表征構(gòu)件質(zhì)量的參量，因此稱之為當(dāng)量初始質(zhì)量。aM雖是一個(gè)假設(shè)的裂紋長度，卻又綜合反映了構(gòu)件中的材質(zhì)以及加工制造質(zhì)量，所以又將aM稱為原始疲勞質(zhì)量。這里的原始疲勞質(zhì)量指的是結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)的原是疲勞質(zhì)量。
[0005]目前原始疲勞質(zhì)量一般用結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)模擬試件在實(shí)測載荷譜或設(shè)計(jì)載荷譜下開展耐久性試驗(yàn)進(jìn)行研究，結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)模擬試件要求與結(jié)構(gòu)具有相同的材料加工狀態(tài)、與結(jié)構(gòu)具有相同的厚度、細(xì)節(jié)尺寸和主要的平面幾何尺寸。這種開展原始疲勞質(zhì)量研究的方法，使有些大尺寸結(jié)構(gòu)、以及先進(jìn)材料結(jié)構(gòu)很難實(shí)現(xiàn)，從而無法了解結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)的原始疲勞質(zhì)量。用這種方法研究結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)的原始疲勞質(zhì)量，不但對模擬試件要求高，試驗(yàn)復(fù)雜、周期長，而且這種方法得到的原始疲勞質(zhì)量結(jié)果受多種因素的影響，相同的材料、不同的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)和加工工藝，其原始疲勞質(zhì)量不同，通用性差。因此，有必要研究易于實(shí)現(xiàn)和通用性好的表征初始損傷的評估方法。
[0006]目前已有的原始疲勞質(zhì)量評估方法，主要是針對結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)的原始疲勞質(zhì)量進(jìn)行評估,主要有兩種評估方法。
[0007](I)斷裂力學(xué)的方法
[0008]首先開展結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)模擬試件的耐久性試驗(yàn)，通過試驗(yàn)后試件斷口的判讀，獲得建立原始疲勞質(zhì)量(EIFS)分布所需的(a，N)數(shù)據(jù)集，a是相對小裂紋的特征裂紋尺寸，而N則為疲勞壽命。指定參考裂紋尺寸可以確定各應(yīng)力水平下各試樣對應(yīng)\的N的數(shù)據(jù)。選定裂紋萌生時(shí)間分布模型。\不同，會(huì)得到不同的通用EIFS分布參數(shù)，變動(dòng)\選擇適當(dāng)?shù)膬?yōu)化準(zhǔn)則，對通用EIFS分布參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。
[0009](2)斷口定量反推的方法[0010]①通過對模擬件試驗(yàn)斷口進(jìn)行分析，找出斷口形貌與載荷譜之間的對應(yīng)關(guān)系，并從斷口上實(shí)測出對應(yīng)于載荷循環(huán)數(shù)Ni的裂紋長度ai ；
[0011]②根據(jù)①測得的一組數(shù)據(jù)繪制裂紋長度與譜循環(huán)數(shù)的關(guān)系曲線，即疲勞裂紋擴(kuò)展曲線，見圖1。
[0012]③擬合實(shí)測曲線，反推％:由斷口實(shí)測數(shù)據(jù)只能繪制疲勞裂紋擴(kuò)展曲線的一部分。要得到aM，必須根據(jù)載荷譜的特點(diǎn)，選擇合適的力學(xué)模型編程序擬合實(shí)測曲線。利用與實(shí)測曲線相吻合的裂紋擴(kuò)展規(guī)律將曲線反推到時(shí)間為零，即N=0，曲線與縱坐標(biāo)的交點(diǎn)即為該構(gòu)件的aM。
[0013]上述兩種評估原始疲勞質(zhì)量的方法存在的局限性:
[0014]斷裂力學(xué)的方法:要獲得評估所需的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，用裂紋監(jiān)測的方法非常繁瑣，試驗(yàn)效率低。若通過斷口特征與載荷譜關(guān)系判斷的方法，很難獲得較小裂紋處的(a，N)數(shù)據(jù)，而較小裂紋處的(a，N)數(shù)據(jù)是評估原始疲勞質(zhì)量所必需的。另外，在評估原始疲勞質(zhì)量的過程中，要根據(jù)(a，N)數(shù)據(jù)計(jì)算裂紋擴(kuò)展速率，而(a，N)是裂紋擴(kuò)展階段的數(shù)據(jù)，當(dāng)試驗(yàn)壽命以擴(kuò)展壽命為主的情況下，用(a，N)數(shù)據(jù)計(jì)算裂紋擴(kuò)展速率誤差較小，而萌生壽命為主的情況下，用(a，N)數(shù)據(jù)計(jì)算裂紋擴(kuò)展速率，會(huì)有較大的誤差。
[0015]斷口反推的方法:利用擴(kuò)展階段的(a，N)數(shù)據(jù)直接反推原始疲勞質(zhì)量aM，同樣的問題，當(dāng)試驗(yàn)壽命以擴(kuò)展壽命為主的情況下，用(a，N)數(shù)據(jù)計(jì)算裂紋擴(kuò)展速率誤差較小，而萌生壽命為主的情況下，利用占很小比例的裂紋擴(kuò)展階段壽命與裂紋長度之間關(guān)系，來分析占有較大比例壽命反推到O的情況，在擬合反推的過程中，主觀因素大，對數(shù)據(jù)的擬合要求高，會(huì)由于近源區(qū)數(shù)據(jù)點(diǎn)離開擬合曲線而較大的影響反推結(jié)果，甚至導(dǎo)致反推的aM為負(fù)值。
[0016]為了評估材料的材質(zhì)、表面完整性、加工質(zhì)量或工藝效果(如焊接質(zhì)量、滾壓質(zhì)量等)，常需要消除結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，直接利用光滑試樣進(jìn)行評估。利用光滑試樣開展疲勞試驗(yàn)并對其初始損傷進(jìn)行評估，直接利用傳統(tǒng)的針對結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)的原始疲勞質(zhì)量評估方法會(huì)產(chǎn)生較大的誤差，無法滿足需要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0017]本發(fā)明的目的是提供一種評估誤差小的基于斷口定量反推和數(shù)值分析的材料初始損傷評估方法。本發(fā)明的技術(shù)解決方案包括以下步驟:
[0018](I)利用光滑疲勞試樣，在等幅譜下開展疲勞試驗(yàn)
[0019]在控制應(yīng)力、等幅載荷條件下開展疲勞試驗(yàn)，獲得疲勞試驗(yàn)斷口 ；
[0020]( 2 )利用斷口定量分析方法，獲得裂紋擴(kuò)展速率曲線表達(dá)式
[0021]在疲勞試樣斷口上，從裂紋源區(qū)開始，沿著主裂紋擴(kuò)展方向，測量不同裂紋長度處的疲勞條帶間距，以不同裂紋長度處疲勞條帶間距作為該位置裂紋擴(kuò)展速率，得到不同裂紋長度處的裂紋擴(kuò)展速率，對不同裂紋長度和對應(yīng)的該位置處的疲勞條帶間距值分別取自然對數(shù)，得到該斷口的疲勞裂紋擴(kuò)展速率曲線，裂紋擴(kuò)展速率曲線的表達(dá)式:
[0022]In (da/dN) = d+b In a (I)
[0023]其中，d、b為擬合常數(shù)，a為距離源區(qū)的裂紋長度，長度單位為μ m, da/dN為裂紋擴(kuò)展速率，單位:μ m/循環(huán)；Ca的單位也可用mm, da/dN的單位用mm/循環(huán))。[0024](3)利用裂紋擴(kuò)展速率曲線表達(dá)式表征aid處的裂紋擴(kuò)展速率
[0025]將aid代入上述(I)式中，
【權(quán)利要求】
1.一種基于斷口定量反推和數(shù)值分析的材料初始損傷評估方法，其特征是，評估方法包括以下步驟: (I)利用光滑疲勞試樣，在等幅譜下開展疲勞試驗(yàn) 在控制應(yīng)力、等幅載荷條件下開展疲勞試驗(yàn)，獲得疲勞試驗(yàn)斷口 ； (2 )利用斷口定量分析方法，獲得裂紋擴(kuò)展速率曲線表達(dá)式 在疲勞試樣斷口上，從裂紋源區(qū)開始，沿著主裂紋擴(kuò)展方向，測量不同裂紋長度處的疲勞條帶間距，以不同裂紋長度處疲勞條帶間距作為該位置裂紋擴(kuò)展速率，得到不同裂紋長度處的裂紋擴(kuò)展速率，對不同裂紋長度和對應(yīng)的該位置處的疲勞條帶間距值分別取自然對數(shù)，得到該斷口的疲勞裂紋擴(kuò)展速率曲線，裂紋擴(kuò)展速率曲線的表達(dá)式:
In (da/dN) = d+b In a (I) 其中，d、b為擬合常數(shù)，a為距離源區(qū)的裂紋長度，長度單位為μπι，da/dN為裂紋擴(kuò)展速率，單位:μ m/循環(huán)； (3)利用裂紋擴(kuò)展速率曲線表達(dá)式表征aid處的裂紋擴(kuò)展速率 將aid代入上述(I)式中，ln(da/dN)id = d+b In aid,則得到aid位置的裂紋擴(kuò)展速率:

【文檔編號(hào)】G01N3/28GK103674680SQ201310657010
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年12月6日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月6日
【發(fā)明者】劉新靈, 劉春江, 趙凱, 陳星 , 陶春虎 申請人:中國航空工業(yè)集團(tuán)公司北京航空材料研究院