[发明专利]基于标识载荷的板材表面裂纹扩展测试方法

说明书

本发明涉及材料测试领域，特别涉及基于标识载荷的板材表面裂纹扩展测试方法。通过初步试验确定载荷谱参数，并基于试验断口分析结果进行载荷谱参数修正，用修正后的载荷谱对同类材料的其他试件进行测试，获得相应数据。依据该方法可建立完整的用于裂纹扩展速率测试的载荷谱。该方法可完整的再现表面裂纹扩展全过程信息，为裂纹扩展行为研究和裂纹扩展速率测试提供重要的试验方法。本发明采用基于同类材料参数和摸索试验的载荷谱参数估计方法和基于摸索试验断口分析结果的载荷谱参数修正方法，可建立完整的用于裂纹扩展速率测试的载荷谱。

技术领域

本发明涉及材料测试领域，特别涉及基于标识载荷的板材表面裂 纹扩展测试方法。

背景技术

以表面半椭圆裂纹和1/4椭圆角裂纹为代表的部分穿透裂纹是飞 机结构中最为广泛的裂纹形式。部分穿透裂纹的扩展寿命占据了结构 疲劳寿命的绝大部分。因此，针对部分穿透裂纹的裂纹扩展分析是飞 机结构损伤容限分析的重要工作之一。当前，用于部分穿透裂纹扩展 分析的材料性能数据通常是在实验室条件下，按照相关标准采用含穿 透裂纹的标准试件测得的。对于具有明显纤维方向的板材，如锻件、 轧制板、采用增材制造或定向凝固工艺制造的金属材料，材料沿不同 的扩展方向会表现出不同的裂纹扩展抗力。如果采用基于穿透裂纹获 得的某一方向的材料裂纹扩展速率来分析这类结构中部分穿透裂纹的扩展过程，会出现较大误差。在分析中引入材料裂纹扩展特性的各 向异性有助于提高分析精度，保证结构的安全性与经济性。因此，不 同方向的材料裂纹扩展数据的获取尤为重要。

对于典型的飞机结构，通常关注沿表面方向和厚度方向的裂纹扩 展特性。表面方向的裂纹扩展速率测试往往采用标准试件进行，然而 厚度方向的裂纹扩展速率测试会受到板材厚度的限制，无法基于标准 试件进行。为解决该问题，可考虑采用表面半椭圆裂纹进行裂纹扩展 速率测试。采用表面半椭圆裂纹(以下简称表面裂纹)可在同一试验中 完成表面方向和厚度方向的裂纹扩展速率测试。因为前缘的约束或应 力状态会对材料裂纹扩展抗力产生影响，含表面裂纹的试件模拟了实 际结构中部分穿透裂纹前缘的约束条件，所以相比于穿透裂纹，基于 表面裂纹得到的裂纹扩展数据更接近实际情况。

表面裂纹常表现为规则的半椭圆形或半圆形，其几何描述常用裂 纹长度(2c)和裂纹深度(a)两个参量。在裂纹扩展试验中，需同时测 量表面长度和裂纹深度。表面长度可采用目视法测量，而裂纹深度难 以直接测量。为了测量表面裂纹的深度，发展了多种测试方法，包括 直流电位差法、交流电位差法、交流电场测量法、柔度法、超声波法、 回火染色法、染色渗透法、标识载荷法。各类方法优缺点如下：

直流或交流电位差法能够实现实时测量，且不受环境限制。缺点 是作为一种间接的测量方法，该方法需要建立校准曲线(校准曲线的 建立非常复杂)，且测量电位差的同时需要测量表面长度2c以结合校 准曲线导出a。此外，该方法对电位差计的敏感度要求较高，且裂纹 的部分闭合可能会导致短路，容易使得测量结果小于实际尺寸；

柔度法具有与电位差法相同的优点，其缺点是作为一种间接的测 量方法，该方法需要事先建立校准曲线或柔度与裂纹尺寸的关系式， 且对引伸计或应变计的敏感度要求较高。一般在测量柔度的同时，还 要测量裂纹表面长度。该方法的测量精度受到了引伸计或应变计的测 量精度以及校准曲线精度的限制；

超声波法虽然不受到环境的限制，但是该方法复杂，将背景噪声 与相关信号分离是该方法实施的难点，且此方法无法实时测量裂纹长 度；

回火染色法和染色渗透法均是在试验过程中使裂纹在断口上留 下反映其前缘位置的轮廓，试件断裂后，在显微镜下进行定量断口分 析获得不同载荷循环数下的裂纹长度和深度。这两种方法除了反映裂 纹尺寸信息，还可反映裂纹前缘形状演变信息，缺点在于不能实时测 量，而且获得的数据较少，回火染色和渗透染色时需要中断试验。对 于回火染色法，回火可能会改变材料的裂纹扩展特性，而对于染色渗 透法，染色有可能污染断口，导致无法获得有效数据。