Page 21 - 理化检验-物理分册2024年第三期
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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
样厚度由 25 mm 增大至 30 mm 时, a( 1 ) / W 比a' / 以忽略。对于某些裂纹面张开量较大( θ 值较大) 的
W 差值明显增大, 由约 0.5% 增大至约 2.0% 。说明 断裂试验, 如裂纹尖端张开位移、 延性断裂韧性试验
随着试样厚度的增加, 圆弧角度 2α 增大, 影响了裂 等, 引伸计标距过大, 会造成裂纹嘴张开位移 V 的
纹的平直度, 柔度法测算的裂纹长度 a( 1 )比实际裂 测量值偏小, 进而影响试验结果。
纹长度a' 偏小。对于疲劳裂纹扩展速率试验, 不同
4 结论
材料的裂纹前缘弯曲程度不同, 如果材料裂纹前缘
的圆弧 角 度 过 大, 则 不 宜 采 用 较 厚 ( 厚 度 不 小 于 ( 1 )对于不同厚度的 10Ni6CrCuMoV 钢三点
30mm ) 试样进行试验。 弯曲试样, 当试样厚度不大于 25 mm , 归一化实际
裂纹长度a' / W ≥0.3 时, 柔度法测算裂纹长度 a( 1 )
与真实裂纹长度 a' 相差小于 5% , 认为 a( 1 )有较好
的准确性。
( 2 )当a( 3 ) / W ≤0.2 时, a( 1 ) / W 与a( 3 ) / W 相比
明显偏小, a( 3 ) / W =0.15 时, a( 1 ) / W 与a( 3 ) / W 相差
约17% ; 当a( 3 ) / W ≥0.3 时, a( 1 ) / W 与a( 3 ) / W 相差
小于 0.5% 。根据柔度函数关系式的适用条件, 使
用式( 1 ) 进行裂纹长度测算时, 要求实际裂纹长度
a' / W ≥0.3 , 以保证测算结果准确。
图 9 归一化裂纹长度随试样厚度的变化情况
( 3 )用有限元方法模拟三点弯曲试样中平直的
3.4 引伸计标距对裂纹嘴张开位移的影响
贯穿型裂纹 a s , 两柔度函数关系式 ( 1 ) 和 式 ( 3 ) 在
裂纹嘴张开位移 V 是指试样边缘处裂纹面的
a s W ≥0.3 时与模拟结果均有较高符合性, a( 1 ) / W 、
/
张开量, 实际试验时由于引伸计标距的原因, 引伸计
a( 3 ) / W 与a s W 相差小于 2% ; 当试样厚度不大于
/
测得的裂纹嘴张开位移V' 是实际位移V 的近似值。
40mm 时, 裂纹中心的平面应变状态对柔度函数关
三点弯曲加载时, 假设试样两侧以裂纹顶端为圆心
系没有明显影响, 在式( 1 ) 中使用材料的弹性模量 E
对称旋转, 以试样左半部为例, 裂 纹嘴张开位移 V 进行计算, 可以获得较准确的测算裂纹长度。
的计算方法如式( 8 ) ~ ( 10 ) 所示。 ( 4 )用圆弧角度 2 α 来描述裂纹前缘的弯曲程
V 度, 根据试验结果, 随着试样厚度的增大, 2 α 明显增
= asinθ ( 8 )
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大, 裂纹平直度降低, 导致柔度法测算的裂纹长度
V' V
= ccosθ+ - c ( 9 ) a( 1 ) 比实际裂纹长度a' 偏小。对于疲劳裂纹扩展速
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率试验, 不同材料的裂纹前缘弯曲程度不同, 如果材
V' V
- = c cosθ-1 ) ( 10 ) 料裂纹前缘的圆弧角度过大, 则不宜采用较厚( 厚度
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不小于 30mm ) 试样进行试验。
式中: a 为裂纹长度; c 为引伸计标距的一半; θ 为单
( 5 )在疲劳裂纹扩展速率试验过程中, 试样整
侧的旋转角度。
体处于弹性状态, 裂纹面的张开量很小, 引伸计标距
由式( 10 ) 可知: 引伸计测得的张开位移V'比试
对柔度测量的影响可以忽略。对于某些裂纹面张开
样实际的张开位移V 小, 根据式( 1 ), a( 1 ) / W 与柔度
量较大的断裂试验, 如裂纹尖端张开位移、 延性断裂
V / F 是单调递增关系, 因此由 V' / F 得到的裂纹长
韧性试验等, 引伸计标距过大会造成裂纹嘴张开位
度会存在偏小的情况; 在θ 一定的情况下, 引伸计标
移V 的测量值偏小, 影响试验结果。
距 2c 越大, V' / F 偏小的程度越大。
根据有限元模拟的结果, 引伸计标距为 10mm 参考文献:
时对应的柔度V' / F 与裂纹嘴张开位移的柔度V / F
[ 1 ] 张峰, 罗秀梅. 柔度法测试车轮轮箍的疲劳裂纹萌生寿
几乎一致, 经过计算, 试样在最大载荷时的θ 角很
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较小( θ 值较小), 引伸计标距对柔度测量的影响可 ( 下转第 15 页)
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