金属试样疲劳裂纹扩展测试

一. 测试目的与意义

疲劳裂纹扩展测试主要用于研究在循环载荷作用下，金属材料中预先存在的裂纹是如何扩展的。其核心目标是确定材料的疲劳裂纹扩展速率（da/dN） 与应力强度因子范围（ΔK） 之间的关系。

工程意义在于：

寿命预测： 基于断裂力学理论，对含缺陷或裂纹的工程构件（如飞机机身、发动机叶片、桥梁、压力容器等）进行剩余寿命评估，确保其在使用寿命内的安全。

材料筛选： 比较不同材料、热处理工艺或制造工艺的抗疲劳裂纹扩展能力，为产品设计和选材提供依据。

安全性评估： 确定材料的门槛值ΔK_th（裂纹不发生扩展的最大ΔK）和断裂韧性K_IC，为制定无损检测标准提供数据支持。

二. 测试标准

测试必须遵循国际或国家标准，以确保结果的可比性和可靠性。常见标准包括：

ASTM E647： 《测量疲劳裂纹扩展速率的标准试验方法》

ISO 12108： 《金属材料-疲劳试验-疲劳裂纹扩展方法》

三. 测试试样与制备

常用的标准试样有：

紧凑拉伸试样： 节省材料，易于夹持。

中心裂纹拉伸试样： 适用于板状材料，应力状态更接近实际结构。

单边缺口三点弯曲试样： 制备简单。

制备关键步骤：

1. 机加工： 按标准图纸精确加工试样。

2. 预制疲劳裂纹： 在试样缺口根部，通过高频、低载荷的循环加载，产生一个尖锐的、可重复的初始疲劳裂纹。这是测试成功的关键前提。

四. 测试流程

1. 安装试样： 将预制好裂纹的试样正确安装到疲劳试验机上。

2. 设置参数：

载荷控制： 设定最大载荷 (P_max)、最小载荷 (P_min) 或应力比 (R = P_min / P_max)。

波形与频率： 通常使用正弦波。频率选择需考虑材料（如铝合金可用较高频率，钛合金需较低频率以防过热）。

3. 裂纹长度监测： 这是测试的核心测量环节。常用方法有：

柔度法： 通过测量试样裂纹嘴的张开位移与载荷之间的关系（即柔度）来间接、实时地计算裂纹长度。这是非接触式测量，精度高。

电位法： 对试样通恒定电流，裂纹扩展会导致电阻变化，从而电压变化，通过标定关系得到裂纹长度。

光学/视频引伸计： 直接观察并测量裂纹的扩展。

4. 数据采集： 测试系统自动记录循环次数 (N)、对应的裂纹长度 (a) 以及载荷、位移等数据。

5. 终止测试： 当试样发生断裂，或裂纹扩展到预定长度，或载荷下降达到一定比例时，停止测试。

五. 数据处理与分析

1. 计算裂纹扩展速率 (da/dN)：

将采集到的 a-N 数据通过割线法或递增多项式法进行处理，得到每一数据点的 da/dN。

`da/dN ≈ Δa / ΔN`

2. 计算应力强度因子范围 (ΔK)：

根据试样类型、载荷和裂纹长度，使用标准中提供的公式计算ΔK。

例如，对于CT试样：`ΔK = (ΔP / (B √W)) f(a/W)`

其中，ΔP为载荷范围，B为试样厚度，W为试样宽度，f(a/W)为几何修正因子。

3. 绘制 da/dN - ΔK 曲线：

在双对数坐标纸上绘制 da/dN 与 ΔK 的关系曲线。通常会得到一条反S形的曲线，该曲线可分为三个区域：

I区（近门槛区）： ΔK接近门槛值ΔK_th，裂纹扩展极慢或不扩展。

II区（稳定扩展区/Paris区）： 数据点呈线性关系，是工程应用中最关注的区域。符合 Paris公式：`da/dN = C (ΔK)^m`，其中C和m为材料常数。

III区（快速扩展区）： 裂纹加速扩展，直至最终断裂。

总结

金属疲劳裂纹扩展测试是一项技术含量高、设备精密的标准化试验。成功完成测试不仅需要理解断裂力学原理和测试标准，更需要熟练掌握电液伺服疲劳试验机及其裂纹监测系统的操作。严谨的试样制备、精确的设备对中、正确的参数设置和实时的过程监控，是获得可靠、有效数据的关键。