金屬試樣疲勞裂紋擴展測試

一. 測試目的與意義

疲勞裂紋擴展測試主要用于研究在循環載荷作用下，金屬材料中預先存在的裂紋是如何擴展的。其核心目標是確定材料的疲勞裂紋擴展速率（da/dN） 與應力強度因子范圍（ΔK） 之間的關系。

工程意義在于：

壽命預測： 基于斷裂力學理論，對含缺陷或裂紋的工程構件（如飛機機身、發動機葉片、橋梁、壓力容器等）進行剩余壽命評估，確保其在使用壽命內的安全。

材料篩選： 比較不同材料、熱處理工藝或制造工藝的抗疲勞裂紋擴展能力，為產品設計和選材提供依據。

安全性評估： 確定材料的門檻值ΔK_th（裂紋不發生擴展的最大ΔK）和斷裂韌性K_IC，為制定無損檢測標準提供數據支持。

二. 測試標準

測試必須遵循國際或國家標準，以確保結果的可比性和可靠性。常見標準包括：

ASTM E647： 《測量疲勞裂紋擴展速率的標準試驗方法》

ISO 12108： 《金屬材料-疲勞試驗-疲勞裂紋擴展方法》

三. 測試試樣與制備

常用的標準試樣有：

緊湊拉伸試樣： 節省材料，易于夾持。

中心裂紋拉伸試樣： 適用于板狀材料，應力狀態更接近實際結構。

單邊缺口三點彎曲試樣： 制備簡單。

制備關鍵步驟：

1. 機加工： 按標準圖紙精確加工試樣。

2. 預制疲勞裂紋： 在試樣缺口根部，通過高頻、低載荷的循環加載，產生一個尖銳的、可重復的初始疲勞裂紋。這是測試成功的關鍵前提。

四. 測試流程

1. 安裝試樣： 將預制好裂紋的試樣正確安裝到疲勞試驗機上。

2. 設置參數：

載荷控制： 設定最大載荷 (P_max)、最小載荷 (P_min) 或應力比 (R = P_min / P_max)。

波形與頻率： 通常使用正弦波。頻率選擇需考慮材料（如鋁合金可用較高頻率，鈦合金需較低頻率以防過熱）。

3. 裂紋長度監測： 這是測試的核心測量環節。常用方法有：

柔度法： 通過測量試樣裂紋嘴的張開位移與載荷之間的關系（即柔度）來間接、實時地計算裂紋長度。這是非接觸式測量，精度高。

電位法： 對試樣通恒定電流，裂紋擴展會導致電阻變化，從而電壓變化，通過標定關系得到裂紋長度。

光學/視頻引伸計： 直接觀察并測量裂紋的擴展。

4. 數據采集： 測試系統自動記錄循環次數 (N)、對應的裂紋長度 (a) 以及載荷、位移等數據。

5. 終止測試： 當試樣發生斷裂，或裂紋擴展到預定長度，或載荷下降達到一定比例時，停止測試。

五. 數據處理與分析

1. 計算裂紋擴展速率 (da/dN)：

將采集到的 a-N 數據通過割線法或遞增多項式法進行處理，得到每一數據點的 da/dN。

`da/dN ≈ Δa / ΔN`

2. 計算應力強度因子范圍 (ΔK)：

根據試樣類型、載荷和裂紋長度，使用標準中提供的公式計算ΔK。

例如，對于CT試樣：`ΔK = (ΔP / (B √W)) f(a/W)`

其中，ΔP為載荷范圍，B為試樣厚度，W為試樣寬度，f(a/W)為幾何修正因子。

3. 繪制 da/dN - ΔK 曲線：

在雙對數坐標紙上繪制 da/dN 與 ΔK 的關系曲線。通常會得到一條反S形的曲線，該曲線可分為三個區域：

I區（近門檻區）： ΔK接近門檻值ΔK_th，裂紋擴展極慢或不擴展。

II區（穩定擴展區/Paris區）： 數據點呈線性關系，是工程應用中最關注的區域。符合 Paris公式：`da/dN = C (ΔK)^m`，其中C和m為材料常數。

III區（快速擴展區）： 裂紋加速擴展，直至最終斷裂。

總結

金屬疲勞裂紋擴展測試是一項技術含量高、設備精密的標準化試驗。成功完成測試不僅需要理解斷裂力學原理和測試標準，更需要熟練掌握電液伺服疲勞試驗機及其裂紋監測系統的操作。嚴謹的試樣制備、精確的設備對中、正確的參數設置和實時的過程監控，是獲得可靠、有效數據的關鍵。