Page 17 - 理化检验-物理分册2024年第三期

高宇昊, 等: 柔度法测算三点弯曲试样疲劳裂纹长度的影响因素

1 试样进行弯曲加载 - 卸载, 为了保证加载的稳定性,
U = ( 2 )
4WBEV 0.5 加载 - 卸载周期为 10s , 连续加载 10 次, 记录载荷 F
SF +1 和对应裂纹嘴张开位移 V 的值。柔度测量时的载
式中: S 为跨距, S=4W ; V / F 为柔度; U 为计算中 荷 - 时间曲线如图 1 所示。
间量。 表 1 试样公称尺寸及试验参数
测量 并 计 算 裂 纹 嘴 张 开 位 移 与 载 荷 的 关 系
试样 厚度 / 宽度 / 缺口长 跨距 / 疲劳最大 应力 试验
V / F , 可以获得裂纹的长度, 从而实现裂纹长度的自 编号 mm mm 度 / mm mm 载荷 / kN 比 波形
动测算。然而在实际使用时, 试样形状、 测量误差、
1 10.00 20.00 2.50 80 8.0 0.1 正弦波
弹性模量取值等因素会使测算裂纹长度与真实裂纹 2 15.00 30.00 3.75 120 15.0 0.1 正弦波
长度之间存在偏差 [ 1 ] , 余圣甫等 [ 2 ] 在进行单试样法 3 20.00 40.00 5.00 160 24.0 0.1 正弦波
积分 - 裂纹扩展量阻力曲线测试时发现, 用柔度法测 4 25.00 50.00 6.25 200 32.5 0.1 正弦波
正弦波
0.1
43.0
30.00 60.00
240
5
7.50
算的裂纹长度比用读数显微镜通过九点法测量的裂
纹长度小。张亚军 [ 3 ] 在对 10MnNi3MoV 船用结构
钢进行疲劳裂纹扩展速率试验时发现, 试验开始时
用柔度法推导的弹性模量比钢材弹性模量的典型值
低, 在柔度函数中使用不同的弹性模量会影响疲劳
裂纹扩展速率的试验结果。柔度法测算裂纹长度的
精确性与柔度的测量误差、 弹性模量、 刀口尺寸以及
引伸计的安装等因素有关。
一般认为, 随着试样厚度的增加, 裂纹尖端平面
应变状态的比例增加, 试样的有效弹性模量 E' 将介
于平面应力状态下弹性模量 E 和平面应变状态下 图 1 柔度测量时的载荷 - 时间曲线
弹性模量E /( 1-ν ) 之间( ν 为泊松比), 从而影响式 接着在试样上预制疲劳裂纹, 方法为降 K ( 应
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( 1 ) 中的无量纲弹性柔度 EBV / F 。由于疲劳裂纹 力强度因子) 法, 设置最终阶段的应力强度因子最大
扩展速率试样的裂纹前缘近似呈圆弧状, 仅测量表 0.5 达
值 K max 为28.0MPa · m , 直至预制裂纹长度a a
面裂纹无法反映实际的裂纹长度。笔者针对不同厚 到 0.2W 。用图 1 所示的载荷测量试样柔度, 同时从
度的三点弯曲试样, 在疲劳裂纹扩展速率试验过程 试样缺口处将着色剂滴入裂纹面, 裂纹张开时, 颜色
中, 利用着色剂 [ 4 ] 在不同裂纹扩展阶段对实际裂纹 分子因毛细作用沉积在裂纹尖端, 干燥后完成对预
长度进行标记, 从而获得柔度法测算裂纹长度与实 制裂纹的标记。
际裂纹长度的对应关系, 进而分析试样厚度、 柔度函 然后进行疲劳裂纹扩展试验, 方法恒载荷法, 当
数关系式的适用条件、 材料的弹性模量、 裂纹前缘弯 ) 时, 暂停试验, 用图 1 所
裂纹长度达到约 0.3W ( a b
曲程度( 曲率)、 引伸计测量标距等因素对柔度法测 示的载荷测量试样柔度, 并用着色剂标记裂纹。干
算裂纹长度的影响。 )、
燥后继续进行试验, 当裂纹长度达到约 0.4W ( a c
)、 )、 ) 时, 用同样的操作
1 试验方法 0.5W ( a d 0.6W ( a e 0.7W ( a f
测量试样柔度并标记对应裂纹。

将 10Ni6CrCuMoV 钢板( 板厚为 30 mm ) 按照 最后, 试样在裂纹扩展的最后阶段发生弯曲失效,
GB / T6398 — 2017 《 金属材料 疲劳试验 疲劳裂纹 将试样沿裂纹面打开, 用显微镜测量标记的裂纹长度。

扩展方法》 的要求加工成不同厚度的三点弯曲试样,
取样位置为板厚中心处, 试样长度方向垂直于轧制 2 试验结果
方向。利用电液伺服疲劳试验机对试样进行疲劳裂 柔度测量时采用末 5 次循环的载荷 F 和裂纹
纹扩展速率试验, 每组 3 个平行试样, 试样公称尺寸 嘴张开位移V , 在最大载荷的 50%~90% 对V-F 曲
及试验参数如表 1 所示。 线求斜率, 以获得试样的柔度, 根据柔度函数关系式
首先, 在缺口试样上测量试样柔度 V / F , 用疲 测算裂纹的长度, 测算使用的弹性模量为钢铁材料

) 对 典型值 206GPa 。以试样 3 ( 厚度为 20 mm ) 为例,
劳裂纹扩展速率试验最大载荷的 0.9 倍( 0.9F max
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