[发明专利]一种大厚度高强度铝合金板疲劳裂纹扩展试验方法

说明书

本发明公开了一种大厚度高强度铝合金板疲劳裂纹扩展试验方法，其包括加工试样和开展疲劳裂纹扩展试验两步，其中，加工的试样为单侧裂纹板拉伸试样，厚度为B、宽度为W，厚侧预置初始线切割缺口，开展疲劳裂纹扩展试验包括设定疲劳载荷、开展调试试验和开展疲劳裂纹扩展试验三步，每一步均采用半幅降载勾线法进行疲劳载荷的加载。本发明的有益之处在于：利用现有的疲劳试验机即可进行厚度20mm～100mm的铝合金板疲劳裂纹扩展试验，为金属结构疲劳裂纹扩展寿命的准确预测、保证机械设备安全运行提供了一套切实可行且行之有效的试验方法。

技术领域

本发明涉及一种金属板疲劳裂纹扩展试验方法，具体涉及一种大厚度高强度铝合金板疲劳裂纹扩展试验方法，属于重大装备的寿命预测技术领域。

背景技术

机械、运载和能源等行业的典型重大装备已经服役多年，可靠预测含裂纹构件寿命是有效提高装备使用潜力和控制失效事故发生的重要途径，若过早判废退役，则意味着巨大的浪费和巨额的经济损失，继续运行则需要合理的寿命预测以保证安全。国家中长期规划(2006年～2020年)将典型重大装备的寿命预测技术列为重要研究方向，高铁、远洋船舶等大型机械设备的配置和投入不断加大，金属材料作为结构主承力件材料被广泛应用。

金属材料结构在使用过程中由于疲劳载荷、磨损、环境腐蚀、材料老化、构件缺陷以及其它自然及人为因素的作用，极有可能发生损伤甚至破坏，其中，疲劳失效是飞机构件基本和主要的破坏模式。通常，厚度大于20mm的板件可以被认为是大厚度板件。大型机械设备结构中广泛存在着大厚度高强度铝合金板，这些结构一旦发生损伤，所造成的结果往往是十分惨痛的，航空史上已经发生过多起因飞机结构疲劳问题引起的重大事故。

因此，如何确保这些大型机械设备在服役使用期间的安全运行，特别是避免大厚度金属板件等承力件的疲劳断裂行为，成为目前亟待解决的问题。

疲劳裂纹扩展的厚度效应——因金属板件厚度不同导致的疲劳裂纹扩展特性(包括裂纹扩展形貌、扩展速率等)及疲劳寿命发生变化的效应。

疲劳裂纹扩展的厚度效应早在20世纪60年代就已经引起关注。90年代，欧洲航空技术组及波音飞机公司都系统地进行了2mm～20mm不同厚度中心孔拉伸试样(CCT试样)在飞行模拟载荷下的裂纹增长试验，目的是：了解厚度的影响，确定经验参数并提供考核和发展裂纹增长分析模型的试验依据。北京航空材料研究院的张诗捷等开展了3mm～12.7mm不同厚度7475-T7351铝合金CCT试样疲劳裂纹扩展试验，结果表明：广义改进的Willenborg模型不能反映构件厚度对裂纹扩展寿命的影响，J.B.Chang模型中的过载截止比与CCT试样厚度有关。空军工程大学的何宇廷等开展了7075铝合金三种不同厚度(2mm～12mm)CCT试样在随机谱下的裂纹扩展试验，结果表明：随着CCT试样厚度的增加，稳态扩展区的疲劳条带间隔变稀，裂纹的扩展速率增加。南京航空航天大学的顾绍景开展了1.6mm和3.1mm厚的2024-T3铝合金CCT试样在TWIST载荷谱下的疲劳裂纹扩展寿命，研究了疲劳裂纹扩展的厚度效应。空军工程大学的张胜、高潮等开展了8mm、16mm、24mm、31mm厚度的2A12-T4铝合金板单边缺口试样的疲劳裂纹扩展试验，结果表明：随着试样厚度的增加，试样表层与中心层裂纹长度的差值逐渐变小，疲劳裂纹稳定扩展前沿形貌由“隧道”形状逐渐变成与表面垂直的直线形。

通过上述这些研究可以看出，在裂纹扩展分析中考虑试样厚度影响非常重要。

现有技术方案主要采取标准CCT试样开展疲劳载荷谱下的裂纹扩展试验，但是该技术方案对于20mm以上的大厚度高强度铝合金板并不适用，主要体现在以下两个方面：

一方面，疲劳试验机的试样夹持端的夹持范围在0mm～35mm左右，超过试样夹持端的夹持范围的大厚度试样无法开展疲劳裂纹扩展试验；