基于壓縮預制裂紋方法的鈦合金裂紋擴展門檻值測試

張海偉，高怡斐,2，任 欣，李 順

(1.鋼鐵研究總院分析測試研究所，北京 100081; 2.鋼研納克檢測技術股份有限公司，北京 100081;3.鋼研納克成都檢測認證有限公司，四川 成都 610200)

0 引 言

為了測量中低應力比條件下準確的裂紋擴展門檻值和近門檻值數(shù)據(jù)，Pippan[5]等開發(fā)了一種新的壓縮預制裂紋方法，通過循環(huán)壓向載荷，在預制切口的緊湊型拉伸C(T)試樣的尖端產生會自然停止的預制裂紋，而且壓向的循環(huán)載荷會在裂紋的尖端產生拉向的殘余應力，預制裂紋的生長過程受這種尖端殘余應力場的控制。然后通過加載恒定載荷，在裂紋長度擴展至數(shù)個壓縮塑性區(qū)尺寸后，壓縮預制所產生的應力被完全消除，殘余應力場逐漸消失，獲得不受加載歷史效應的，準確的門檻值和近門檻值數(shù)據(jù)，目前，國內對該方法的研究較少。

針對上述問題，本文基于降載法和壓縮預制裂紋恒載(CPCA)方法，首先進行不同尺寸的鈦合金室溫門檻值降載法實驗，證明了裂紋擴展門檻值敏感材料Ti6Al4V不同尺寸試樣在近門檻值區(qū)域的數(shù)據(jù)差異，再進行不同尺寸試樣CPCA法實驗，驗證了CPCA方法在裂紋擴展門檻值實驗中的可行性。對比兩種方法，證明了CPCA相較于降載方法在裂紋擴展門檻值敏感材料Ti6Al4V中的優(yōu)勢，是一種測試裂紋擴展門檻值下限的有效方法。

1 CPCA方法原理

在壓縮循環(huán)載荷作用下，小裂紋的產生和擴展主要是由切口根部塑性變形產生的拉伸殘余應力引起。通過對C(T)試樣施加壓向循環(huán)載荷，在試樣機械切口的尖端發(fā)生壓縮屈服，在卸載過程中使切口尖端產生拉伸殘余應力，對應的應力變化如圖1所示，其中，壓縮循環(huán)的載荷最大值和最小值分別對應圖1（a）中的壓縮塑性區(qū)與單調拉伸塑性區(qū)。在卸載過程中施加載荷最小時，尖端存在拉伸殘余應力，在后續(xù)循環(huán)載荷作用下，單調拉伸塑性區(qū)中間會出現(xiàn)循環(huán)塑性區(qū)，裂紋在拉伸殘余應力的作用下產生和擴展。圖1（a）示意了第一次循環(huán)過程中的切口尖端塑性區(qū)分布，圖1（c）示意了切口尖端及韌帶區(qū)域的循環(huán)過程應力狀態(tài)。在第一周循環(huán)過后，循環(huán)塑性僅發(fā)生在單調拉伸塑性區(qū)內部，這一現(xiàn)象可用小裂紋屈服概念解釋[6]。在裂紋擴展經過殘余應力區(qū)域后，會發(fā)生殘余應力松弛，這將導致循環(huán)塑性區(qū)尺寸的減小，隨著與壓縮塑性區(qū)相關的殘余應力場的減小，如圖1（b）所示，即使循環(huán)繼續(xù)進行，局部驅動力也會逐漸減小至裂紋擴展的門檻值，裂紋停止生長，而此時裂紋殘余拉伸應力即驅動力大于0，殘余應力場仍然起作用，使得裂紋處于張開狀態(tài)，如圖1（d）C點之后的應力水平。

圖1 壓縮預制過程裂紋尖端塑性區(qū)分布與應力變化

2 實 驗

本文所用材料取自擠壓型材Ti6Al4V，屈服強度σ0.2為850 MPa，抗拉強度為σb為920 MPa，彈性模量E為115 GPa，分別加工成寬度W為25，50，75 mm的緊湊型拉伸C(T)試樣，選取R=0.1的應力比。分別進行LR法和CPCA法實驗，獲得近門檻值數(shù)據(jù)，并對不同尺寸的兩種實驗方法進行對比，分析了不同條件下門檻值測定的尺寸效應和裂紋尖端閉合效應。

為了驗證裂紋擴展門檻值中可能存的尺寸效應，并滿足ASTM E647 標準中對于試樣厚度B（W/20≤B≤ W/4）的要求，試樣統(tǒng)一加工為B=6.35 mm，試樣預制切口采用線切割加工，尖端最小半徑為0.2 mm，尖端角度為60°，試樣前表面加工刀口固定COD夾規(guī)，如圖2所示。

圖2 緊湊型拉伸C(T)試樣（單位：mm）

所有實驗均在室溫大氣條件下進行，選用MTS公司生產的50 kN液壓伺服疲勞實驗機，通過柔度法實時監(jiān)測裂紋長度，為避免高頻震動產生的熱效應，同時兼顧效率，實驗頻率選擇30 Hz。

方法一：采用ASTM E647中規(guī)定的標準降載（load-reduction,LR）法，圖3所示為R=0時，降載法的控制程序，縱軸為實驗過程中實時最大力Pmax和初始實驗最大力(Pmax)i的比值，選擇一個合適的初始應力強度因子，保證初始尖端裂紋擴展速率小于10-5mm/cycle，符合美標E647中的規(guī)定，防止da/dN＞10-5mm/cycle時產生的加載歷史影響到近門檻值區(qū)域數(shù)據(jù)[7]。B.L.Boyce[8]等也證明了最大K值會對TC4裂紋擴展門檻值產生影響。降K梯度的C值選擇-0.08 mm-1，此時能保證裂紋每擴展0.5 mm，力值下降約5%，符合標準中裂紋擴展0.5 mm，力值最大下降10%的范圍。

圖3 應用于疲勞裂紋擴展門檻值測試的降載法和壓縮預制裂紋恒載法

方法二：采用壓縮預制裂紋恒載法，通過施加恒定的壓向載荷，在預制切口尖端產生一個小的預制裂紋，完成預制裂紋后，通過施加循環(huán)恒定拉向載荷，獲得裂紋擴展門檻值和近門檻值數(shù)據(jù)。與傳統(tǒng)的拉向循環(huán)預制裂紋相比，壓縮預制裂紋方法會在裂紋尖端產生拉向的殘余應力場，而不是會導致裂紋閉合的壓向殘余應力場。這種應力場下，可以避免各種因素造成的裂紋閉合效應。

Aswath[9]等針對壓縮預制裂紋實驗進行了有限元模擬，根據(jù)壓縮循環(huán)過程中的最大載荷確定了壓縮塑性區(qū)的尺寸，而當裂紋前緣到達壓縮塑性區(qū)附近時，裂紋擴展減慢最后停止，即最終裂紋長度與壓縮塑性區(qū)和載荷的大小有關。

壓縮過程的最大應力強度因子Kcp可由下式[10]確定：

為實現(xiàn)壓向循環(huán)載荷，可選擇試樣上下表面加載或者通過銷釘加載，有研究表明[11]，在a/W＜0.4時，C(T)試樣銷釘壓向加載法產生的應力強度因子K會明顯大于ASTM E647中規(guī)定的標準拉向加載應力強度因子K；而通過上下表面施加載荷與ASTM E647中規(guī)定的標準拉向載荷相比，在0.2≤a/W≤0.7范圍內，應力強度因子K的差異在0.5%以內。通過實驗發(fā)現(xiàn)，脆性材料不宜使用銷釘加載壓向循環(huán)載荷，容易使試樣優(yōu)先在銷孔缺陷處產生裂紋而不是在預制切口尖端產生。綜上所述，選擇試樣上下表面加載的方法，加工尺寸合適的金屬塊放置在U形夾具和C(T)試樣之間，保證在銷釘和孔接觸前完成壓向加載，此時的銷釘僅起到保護作用。加載示意圖如圖4所示。

圖4 壓向載荷頂部加載與拉向載荷銷釘加載

式中：ρc——裂紋尖端壓縮塑性區(qū)尺寸；

σ0——材料的流動應力強度，是材料抗拉強度σb和屈服強度σs的平均值；

Kcp——壓縮應力強度因子，通過壓縮過程中恒定載荷最大值，利用ASTM E647中規(guī)定的標準C(T)試樣公式計算；

γ——CPCA法的裂紋擴展準則系數(shù)。

在循環(huán)壓縮載荷的作用下，隨著裂紋的擴展，殘余應力場逐漸減小，當達到一個壓縮塑性區(qū)的大小時，壓縮預制所產生的應力被完全消除，殘余應力場逐漸消失。但Newman[13]等運用彈塑性有限元方法，通過對比先進行壓縮循環(huán)再進行拉向恒定載荷加載（CPCA）和只進行拉向恒定載荷加載，發(fā)現(xiàn)在R=0的條件下，只有裂紋擴展至壓縮塑性區(qū)的1.5～2倍時，有壓縮預制裂紋和無壓縮預制裂紋的裂紋尖端張開位移（CTOD）和開裂載荷才會趨于一致，但考慮到裂紋表面粗糙度和氧化磨損顆粒等因素和其與殘余應力場相互作用的影響，為了保守起見，建議至少選擇γ=2。

通過105次的壓縮循環(huán)，可以得到大約0.25 mm的預制裂紋，如圖5所示。

圖5 壓縮預制裂紋放大圖

隨后先根據(jù)經驗K值計算選擇較小力值，通過逐級加力的方法，對試樣施加循環(huán)拉向載荷，若2×106次循環(huán)后裂紋未發(fā)生明顯擴展，則在原有載荷基礎上增加5%～10%，直至裂紋發(fā)生明顯擴展。

3 結果與分析

圖6 R=0.1不同尺寸C(T)試樣LR法近門檻值區(qū)數(shù)據(jù)圖

圖7 降載法R=0.1時近門檻值區(qū)域數(shù)據(jù)擬合

圖8 R=0.1時降載法施加載荷與夾規(guī)COD張開位移關系

圖9 R=0.1不同尺寸C(T)試樣CPCA法近門檻值區(qū)數(shù)據(jù)圖

圖10 R=0.1時CPCA法施加載荷與夾規(guī)COD張開位移關系

圖11 R=0.1時Ti6Al4V兩種方法近門檻值區(qū)數(shù)據(jù)圖

基于上述實驗，說明CPCA方法較E647降載法存在一定優(yōu)勢，提供了一種簡單準確測量門檻值的方法，可以獲得與降載法小尺寸試樣近乎一致的門檻值和近門檻值區(qū)域數(shù)據(jù)，不存在試樣尺寸不同所引起的實驗數(shù)據(jù)變化，符合疲勞斷裂力學中，給定應力比下，裂紋擴展速率與應力強度因子范圍相關的概念。

4 結束語

1)對于一些裂紋擴展門檻值敏感材料，例如本文中的Ti6Al4V，傳統(tǒng)美標ASTM E647中規(guī)定的降載法由于閉合效應的作用，不同尺寸試樣會產生不同的門檻值，這就導致當采用較大試樣時，會造成門檻值數(shù)值高估。

2)本文驗證的壓縮預制裂紋恒載法CPCA，能通過壓縮預制產生的拉伸殘余應力區(qū)，在拉伸塑性區(qū)的作用下使預制裂紋擴展，再通過恒載逐級加力的方法，能在受拉伸殘余應力的近門檻值區(qū)域抵消掉閉合力的影響。同時獲得恒載循環(huán)條件下，獲得近門檻值區(qū)域的數(shù)據(jù)，更加符合實際工況條件與疲勞斷裂力學理論。

3)對于某些脆性材料，不應采用銷釘加載的方法施加壓縮循環(huán)載荷，應選用試樣上下表面加載的方法，否則會優(yōu)先在銷孔附近產生裂紋，影響裂紋尖端的應力強度因子。