材料疲勞裂紋門檻值測(cè)定方法研究

李旭東，穆志韜，孔光明，呂航

（海軍航空工程學(xué)院 青島校區(qū)，山東 青島 266041）

在工程設(shè)計(jì)中長(zhǎng)期以來一直追求對(duì)材料的最有效利用，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)強(qiáng)度安全儲(chǔ)備越來越少，隨之帶來的疲勞問題在二戰(zhàn)后期就引起了工程界的廣泛關(guān)注。尤其在航空領(lǐng)域，現(xiàn)代飛機(jī)的造價(jià)越來越高，大量老齡飛機(jī)需要超齡服役，而在新飛機(jī)定壽或老齡飛機(jī)延壽工作中，最主要的一項(xiàng)內(nèi)容就是考核結(jié)構(gòu)材料的疲勞性能指標(biāo)。在材料疲勞性能研究中，疲勞裂紋擴(kuò)展門檻值ΔKth是一個(gè)非常重要的指標(biāo)，而金屬材料的ΔKth一般定義為裂紋擴(kuò)展速率為10-10m/cycle時(shí)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍ΔK。各國(guó)針對(duì)該項(xiàng)指標(biāo)均提出了測(cè)定方法并將其列入國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，其方法可以闡述為：當(dāng)裂紋擴(kuò)展速率滿足時(shí)，進(jìn)行多次測(cè)量，通過線性回歸法擬合出線性關(guān)系，該線性關(guān)系在m/cycle時(shí)計(jì)算得到的ΔK值即為ΔKth［1-6］。該方法存在明顯的不足之處：1）裂紋長(zhǎng)度測(cè)定不夠精確，尤其近門檻值裂紋擴(kuò)展存在很強(qiáng)的閉合效應(yīng)，目視檢測(cè)誤差較大［7－15］；2）測(cè)量周期長(zhǎng)，成本高。

筆者利用帶有液壓伺服疲勞加載設(shè)備的掃描電鏡原位觀測(cè)研究方法（SEM in-situ study）獲得材料的疲勞裂紋擴(kuò)展門檻值。該方法可以借助掃描電鏡的高分辨率特點(diǎn)，精確掌握裂紋的萌生與擴(kuò)展情況，測(cè)量其長(zhǎng)度，從而在較短時(shí)間內(nèi)逼近并獲得疲勞裂紋擴(kuò)展門檻值。

1 試驗(yàn)測(cè)量

1.1 試驗(yàn)件材料

試驗(yàn)樣件所用材料為L(zhǎng)Y12CZ航空用鋁合金。材料的力學(xué)性能（實(shí)測(cè)值）：抗拉強(qiáng)度447 MPa，屈服強(qiáng)度293 MPa［11］。沿軋制方向截取啞鈴狀試件，其尺寸如圖1所示，其中厚度為1 mm。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

疲勞加載采用液壓伺服加載裝置的SS550（Shimadzu，Tokyo）SEM原位觀測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以提供最大1000 N的力，最高加載頻率15 Hz。在疲勞加載過程中，利用SEM電鏡進(jìn)行高精度的原位觀測(cè)，獲得的圖像可以通過數(shù)據(jù)接口傳輸給計(jì)算機(jī)，得到分辨率為1280×720的試件表面圖像。為了有效地跟蹤微裂紋萌生和擴(kuò)展的全過程，在試樣的中部制備了一定曲率半徑的小缺口。疲勞加載采用應(yīng)力控制，即正弦波形應(yīng)力比R為0.1的拉拉疲勞［6－11］。

為了縮短試驗(yàn)時(shí)間，疲勞加載頻率設(shè)定為f=5 Hz，采集圖像時(shí)為了獲得分辨率更高的圖片，將頻率暫時(shí)降低為f=0.1 Hz［12－14］。

圖1 試樣尺寸Fig.1 Specimen details

圖2 裂紋長(zhǎng)度aFig.2 Illustration of crack length a

1.3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)過程中首先取較大的應(yīng)力載荷使裂紋萌生。試驗(yàn)中采取的初始載荷為270 MPa，鎖定加載應(yīng)力比R=0.1不變。當(dāng)觀察到試樣缺口根部萌生裂紋后，開始降低載荷。為了得到精確的裂紋擴(kuò)展門檻值，每次降載幅度不宜太大，試驗(yàn)中設(shè)定每次應(yīng)力降低10 MPa。每次降載后，加載試驗(yàn)2×104個(gè)應(yīng)力循環(huán)，將頻率降至0.1 Hz，在最大載荷處采集試件表面裂紋圖像，測(cè)量其擴(kuò)展長(zhǎng)度值，若測(cè)量得到裂紋擴(kuò)展增量Δa＞2×10－6m，則表明裂紋擴(kuò)展速率10-10m/cycle，則需要降低加載應(yīng)力以降低裂紋擴(kuò)展速率，直至測(cè)量得到在兩次觀測(cè)時(shí)間內(nèi)（即2×104個(gè)應(yīng)力循環(huán)內(nèi)）裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度Δa≤2×10-6m，即裂紋擴(kuò)展速率時(shí)停止試驗(yàn)。此時(shí)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力強(qiáng)度因子即可認(rèn)為是疲勞裂紋擴(kuò)展門檻值。對(duì)于文中所采用的帶有缺口的試件，其應(yīng)力強(qiáng)度因子的計(jì)算如下：

式中：Δσ為疲勞應(yīng)力幅值。由于本次試驗(yàn)中應(yīng)力比R=0.1，因此可以將循環(huán)應(yīng)力最大值作為應(yīng)力幅值，即σmax≈Δσ；a表示裂紋長(zhǎng)度，疲勞裂紋擴(kuò)展路徑呈現(xiàn)極不規(guī)則的形態(tài)，造成長(zhǎng)度難以測(cè)量，因此文中裂紋長(zhǎng)度一律定義為裂紋在垂直于載荷的方向上的投影長(zhǎng)度，如圖2所示。這種處理方式是有意義的，這種在高倍顯微鏡下觀測(cè)到的“之”字形擴(kuò)展路徑在宏觀尺度下都可以看成是直線擴(kuò)展。由于試件中有預(yù)制裂紋，因此式（1）中裂紋長(zhǎng)度需要計(jì)入預(yù)制裂紋長(zhǎng)度a0（如圖2所示）；W表示試件疲勞加載區(qū)的總寬度；f（a/W）是與裂紋有關(guān)的形狀修正因子。根據(jù)不同的形狀缺口預(yù)制試件，其形狀因子表達(dá)式f（a/W）可做如下修正。

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 疲勞裂紋擴(kuò)展形貌

試樣在最大應(yīng)力為270 MPa，R=0.1的條件下循環(huán)加載437 cycle，試樣表面缺口處萌生裂紋，其形貌如圖3所示。降低應(yīng)力水平至250 MPa，試樣表面裂紋形貌如圖4a所示。在該應(yīng)力載荷下循環(huán)2×104周次后，裂紋長(zhǎng)度增長(zhǎng)量Δa＜2 μm，如圖4b所示。即該應(yīng)力水平下裂紋擴(kuò)展速率，則可以認(rèn)為此時(shí)所得應(yīng)力強(qiáng)度因子即為疲勞裂紋擴(kuò)展門檻值。

2.2 裂紋擴(kuò)展門檻值計(jì)算

圖3 試樣缺口處裂紋萌生形貌Fig.3 Morphologyofthecrackinitiationatthenotchofthespecimen

圖4 LY12CZ鋁合金在σmax=250 MPa下不同循環(huán)周次時(shí)的裂紋形貌Fig.4 Crack morphology of different cycles atσmax=250 MPa for LY12CZ

通過原位測(cè)量得到，試件寬度W=5 mm。在最大應(yīng)力σmax=250 MPa，應(yīng)力比R=0.1的情況下，當(dāng)實(shí)際裂紋長(zhǎng)度為23.1 μm時(shí)（包含預(yù)制裂紋長(zhǎng)度a0），得到裂紋擴(kuò)展速率，則通過式（1）以及式（2）的過程得到LY12CZ合金室溫下應(yīng)力比為0.1時(shí)的裂紋擴(kuò)展門檻值為2.38 MPa·m1/2。

文獻(xiàn)［3］測(cè)定LY12CZ鋁合金在R=0.1時(shí)的裂紋擴(kuò)展門檻值為2.67 MPa·m1/2，本試驗(yàn)方法測(cè)得結(jié)果其誤差小于10%，故本測(cè)量方法工程上是可行的。

按照現(xiàn)行的GB 6398－2000提供的測(cè)定材料疲勞門檻值推薦方法，往往測(cè)定一個(gè)試件的門檻值就需要若干天時(shí)間，而文中觀測(cè)方法，在較短時(shí)間內(nèi)（本實(shí)驗(yàn)中僅循環(huán)加載了不到30 000個(gè)應(yīng)力循環(huán)）便可以判斷不同應(yīng)力水平下的裂紋擴(kuò)展速率，從而在數(shù)小時(shí)之內(nèi)就可以測(cè)定材料疲勞裂紋擴(kuò)展門檻值。

無論是按照美國(guó)材料協(xié)會(huì)ASTM標(biāo)準(zhǔn)還是按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)定疲勞裂紋擴(kuò)展門檻值往往采用尺寸較大的CT試樣。而本試驗(yàn)方法所用試樣是尺寸僅為45 mm×12 mm×1 mm的板材，因此該試驗(yàn)方法較傳統(tǒng)方法所需試樣尺寸更小，試件加工方便，節(jié)約實(shí)驗(yàn)材料。尤其是一些比較昂貴的試驗(yàn)材料，如鈦合金，用本實(shí)驗(yàn)方法更具有經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

不過，由于文中用原位觀測(cè)方案測(cè)定門檻值，需要間隔一定循環(huán)次數(shù)（文中為間隔2×104個(gè)循環(huán)）觀測(cè)一次裂紋擴(kuò)展情況，實(shí)際上對(duì)裂紋擴(kuò)展情況無法做到完全的實(shí)時(shí)跟蹤，因此無法恰好得到時(shí)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力強(qiáng)度因子，只能得到時(shí)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力強(qiáng)度因子值，而該值低于材料真正的疲勞裂紋擴(kuò)展門檻值。因此本方法給出的門檻值往往偏于保守。

3 結(jié)論

采用掃描電鏡原位觀察技術(shù)測(cè)定了LY12CZ的疲勞裂紋擴(kuò)展門檻值，其具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1）提高了裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度的測(cè)量精度，有效修正了近門檻值的短裂紋的閉合效應(yīng)；

2）借助掃描電鏡的直接測(cè)量，可以實(shí)時(shí)判斷裂紋的擴(kuò)展速率，以及通過改變施加的載荷，控制應(yīng)力強(qiáng)度因子迅速逼近門檻值，從而大大地縮短了測(cè)定周期。

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