基于直流電位法的疲勞裂紋長度測量的技術(shù)及應用

王 亮 ，劉 帥 ，楊 洋

(1. 航空材料檢測與評價北京市重點實驗室，北京 100095; 2. 材料檢測與評價航空科技重點實驗室，北京 100095; 3. 中國航空發(fā)動機集團材料檢測與評價重點實驗室，北京 100095; 4. 中國航發(fā)北京航空材料研究院，北京 100095)

0 引 言

在疲勞裂紋擴展研究中，裂紋長度的測量是獲得裂紋擴展性能的關(guān)鍵之一[1]。而新一代航空發(fā)動機性能要求不斷提高，為設計用高溫合金材料的力學性能測試工作帶來了新的挑戰(zhàn)，材料疲勞裂紋的形成和擴展問題得到重點關(guān)注。對于發(fā)動機用高溫合金材料零部件上不可避免地存在著微小裂紋，裂紋在循環(huán)載荷下擴展至發(fā)生突然失效需要經(jīng)過一段穩(wěn)態(tài)擴展期，且此期間的裂紋擴展量足夠大。如果能準確掌握并控制材料在此階段的疲勞裂紋擴展行為特性，將能顯著提高材料應用范圍和發(fā)動機設計壽命估算準確性。因此，研究含裂紋結(jié)構(gòu)在受到不同外載荷、具有不同初始裂紋長度及零部件幾何條件的疲勞裂紋擴展速率，以及平均應力、試驗頻率與環(huán)境條件等因素對裂紋擴展速率機制的影響，具有重要的工程應用需求與科學理論價值[2]。

當前高溫合金材料的疲勞裂紋擴展性能已經(jīng)成為設計、選材、壽命估算的關(guān)鍵性能指標，其中裂紋長度的大小與零部件壽命直接相關(guān)，也是評價和表征材料疲勞裂紋擴展行為的核心參數(shù)，為此需要精確測量裂紋長度。丁傳富[3]等在直流電位法自動檢測高溫疲勞裂紋長度的研究中指出顯微鏡目測法是目前國內(nèi)外廣泛采用的常規(guī)方法，它具有簡便、直觀和成本低的特點，但不適合于腐蝕介質(zhì)和高溫環(huán)境下的測量，對于較厚的試樣，所測結(jié)果不能準確地代表材料內(nèi)部裂紋前緣的實際裂紋長度，而且無法實現(xiàn)自動連續(xù)監(jiān)測裂紋長度；而另一種柔度法，它可以實現(xiàn)自動檢測裂紋長度和實現(xiàn)降應力強度因子的試驗閉環(huán)控制，但柔度法由于試樣在高溫下發(fā)生非線性變形，因此試驗數(shù)據(jù)不穩(wěn)定。隨著疲勞斷裂技術(shù)發(fā)展，先進的數(shù)字自動化測量技術(shù)的應用，Henkel[4]等介紹了這種使用圖像技術(shù)觀察裂紋長度的仿真技術(shù)。而當代計算機擁有高速運算能力和快速的數(shù)據(jù)采集頻率，完全可以保證直流電位法裂紋長度的采集工作[5]。20世紀60年代，Johnson[6]就已經(jīng)提出直流電位法在室溫、高溫條件下裂紋長度的測量方法及工作原理。直流電位法使用不僅可以彌補光學直讀法的缺陷，而且對緊湊拉伸試樣（以下簡稱為CT試樣）和中心拉伸試樣（以下簡稱為MT試樣）均具有較高的測量精度。而目前國內(nèi)外在研究宏觀裂紋擴展行為中，直流電位法是最主要的裂紋長度的測量方法，并在CT試樣中獲得了廣泛應用。主要應用有Bao[7]和Na[8]等學者研究的粉末高溫合金的裂紋擴展行為。Huang[9]等研究高溫試驗條件下過載對裂紋擴展行為的影響。王亮[10-11]等研究了高溫試驗條件下高溫合金材料裂紋擴展、門檻值試驗。由于CT試樣只能應用在應力比R（最小應力與最大應力之比）為正的裂紋擴展試驗中。而MT試樣卻可以應用在正、負應力比的試驗條件下。劉牧東[12]使用顯微鏡目測法觀察MT試樣、正應力（R＞0）條件下，低溫環(huán)境對航空鋁合金疲勞與裂紋擴展行為的影響。丁傳富[3]和王亮[13]等研究了使用直流電位法自動檢測鋁合金和鈦合金在高溫下的疲勞裂紋長度，研究也進行了負應力比（R＜0）試驗，但最高溫度在250 ℃以下，也沒有對高溫合金材料進行測試。

考慮到發(fā)動機用的高溫合金材料一般應用于長時高溫條件下的航空發(fā)動機、核能和船舶等新材料應用領(lǐng)域，而材料在高溫服役環(huán)境下，不僅承受是拉—拉載荷，同時還有拉—壓載荷，所以對材料負應力比的裂紋擴展數(shù)據(jù)有著巨大需求，而這情況下，只有使用直流電位法才能完成這種裂紋長度的測量。但直流電位法在測量裂紋長度時會面臨很多困難，主要是直流電位法需要測量的是微伏電壓信號，試樣與試驗設備之間需要采取絕緣措施；還有高溫環(huán)境下對直流電位法測量結(jié)果進行標定，從而確定直流電位法測量裂紋長度的準確性。本項目主要針對GH4169高溫合金材料和TiAl合金材料，使用MT 試樣在 400～800 ℃、負應力比（R＜0）下裂紋長度測量工作為例，展示了直流電位法改進思路及實際驗證效果。

1 實驗材料與設計過程

1.1 實驗材料及試樣

1.1.1 實驗材料

本文中使用了2024鋁合金、GH4169變形高溫合金和TiAl金屬間化合物合金等三種材料制作中心拉伸試樣（以下簡稱：MT試樣）。其中，2024鋁合金MT試樣用于進行室溫裂紋擴展速率實驗，對直流電位法測量系統(tǒng)性能進行驗證，待室溫試驗通過后，采用GH4169變形高溫合金和TiAl金屬間化合物合金MT試樣進行800 ℃以下的高溫裂紋擴展速率實驗。TiAl合金在100倍、500倍和1 000倍下的微觀形貌，見圖1。

圖1 TiAl金屬間化合物微觀組織形貌

1.1.2 試樣設計

在直流電位法測量系統(tǒng)中，導線與試樣可以通過熔焊或者點焊方式進行連接，其中熔焊連接比較牢固但焊接難度較大，點焊連接操作簡便，但在高溫下焊點容易松動。本文實驗工作在高溫環(huán)境中進行，為避免出現(xiàn)導線與試樣接觸不良的問題，選擇使用熔焊進行連接。在MT試樣上進行電位法測量裂紋長度時，需要在試樣上輸入大流量電流，然后測量裂紋上下表面之間的電位降，試樣上焊接有一對電流輸入/輸出導線和一對電位測量導線。對目前實驗使用的試樣圖紙進行了修改，試樣圖既符合美標[14]的要求，又能夠?qū)崿F(xiàn)電位法裂紋長度測量要求，試樣加工圖紙及實物圖見圖2。

圖2 高溫裂紋擴展速率實驗用MT試樣圖紙及實物圖

1.2 直流電位法基本原理及系統(tǒng)設計

電位法的測量原理是在試樣的兩端施加恒定電流，并在試樣厚度方向上產(chǎn)生了一個恒定的電場。隨著裂紋長度的增加，裂紋截面不斷縮小，電阻不斷增加。在恒定的電流下，裂紋面兩端的電位或電壓降隨裂紋尺寸的增加而增加。

直流電位法測量系統(tǒng)架構(gòu)見圖3，主要包括如下組成部分：1）電阻式高溫爐，用于將試樣加熱至指定溫度；2）50 A恒流電源，用于給正式試樣和參考試樣施加恒定電流；本文使用的參考試樣可以是與正式試樣材料、形狀完全一樣的或與正式試樣材料一樣但有時會受到爐內(nèi)空間大小影響可以使用小尺寸的試樣，其目的就是消除溫度變化對測量結(jié)果的影響；3）雙路信號放大器，用于放大正式試樣和參考試樣電位法測得的微小電壓信號，信號放大后經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換送入計算機；4）計算機根據(jù)試驗和測量要求對電流進行調(diào)整，進行數(shù)據(jù)處理以顯示裂紋長度并儲存。

圖3 直流電位法測量系統(tǒng)架構(gòu)

1.3 勾線法實施

1.3.1 勾線法的原理

本文中研究的是MT試樣，因此采用過載勾線法。過載的載荷水平不同，過載線的深淺就不同。本文將過載水平與試驗原有恒幅載荷水平之比稱為過載比。根據(jù)預先進行的探索試驗發(fā)現(xiàn)，過載比為1.6停留幾秒時可以獲得比較清晰的過載線，所以所有正式試驗的過載比為1.6。過載勾線法的加載波形如圖4所示。勾線法得到裂紋長度與電位法測量結(jié)果進行對比，確定電位法的測量精度。

圖4 過載勾線法的加載情況

1.3.2 勾線法的測量方法

勾線法是通過過載獲得裂紋前緣形狀曲線，然后在顯微鏡下測量其與試樣切口的距離，從而確定實際裂紋長度的方法，是本文中對比檢測直流電位法測量準確性的重要方法。該方法利用了金屬疲勞斷裂時在斷口上會留下疲勞條帶的特性，不同的載荷下疲勞條帶的特點也不同，由于過載大于試驗恒幅載荷，可以造成具有與恒幅裂紋擴展條帶特征不同的過載線，這樣就可以記錄相應的裂紋尖端位置。對過載線進行了SEM（掃描電鏡）觀察，在較高放大倍數(shù)下可以看到過載線不是規(guī)則的直線或曲線，而是一系列細小的條帶并伴隨有少量二次裂紋，見圖5。

圖5 在SEM下觀察到的過載線

過載線代表了當時的裂紋長度，通過勾線法可以在不破壞試樣的情況下獲得各階段裂紋長度。本文中對試樣進行過載操作后一般可以得到3條或5條過載線，分別使用電子顯微鏡（Quanta600）和體式顯微鏡（Lecia DMS 1000）測量從試樣切口到過載線的長度。圖6為在體式顯微鏡下看到的GH4169合金試樣斷口上的過載線，可以發(fā)現(xiàn)從試樣切口看過去的過載線是中部凸出的曲線，代表了典型的曲線形裂紋前緣，裂紋長度與所測量點在過載線上的位置不同有關(guān)，在試樣芯部較長，在試樣表面較短，并不是恒定量。圖7(a)為試樣斷口在電鏡下的過載線情況，圖7(b)為具有多條過載線的試樣斷口的示意圖。為了表達裂紋長度，在試樣寬度上取4等分測量裂紋長度，共5個測量點，分別標注為a1～a5，a1～a5各點之間的水平間距均為B/2（B為試樣厚度）。分別對一條過載線上a1～a5各點進行長度測量，得到5個位置的裂紋長度，再對這5點的裂紋長度進行求平均計算，得到平均裂紋長度a平均如下：

圖6 GH4169變形高溫合金試樣斷口過載線示意圖

圖7 在SEM下觀察到的試樣斷口過載線及其示意圖

取試樣表面的2個點a1和a5進行長度計算，得到表面平均裂紋長度a表面：

取試樣內(nèi)部3個點a2～a4平均值進行計算，得到內(nèi)部平均裂紋長度a內(nèi)部：

本文使用的MT試樣在計算裂紋長度時，需要將過載時獲得勾線左、右兩部分的裂紋長度進行相加并取平均值。在試驗過程中，通過把勾線法測量得到的裂紋長度與直流電位法測量的裂紋長度進行比較，確定電位法測量裂紋的準確度。設δ平均、δ表面和δ內(nèi)部分別為勾線法a平均、a表面和a內(nèi)部與電位法測量裂紋長度a電位法的差，有：

每進行j次勾線（記作j）就計算j次 δ平均/表面/內(nèi)部，并對j次的 δ平均/表面/內(nèi)部求平均作為實驗平均誤差值ε平均/表面/內(nèi)部誤差，為保證計算的一致性δ平均/表面/內(nèi)部取絕對值計算。

需要指出的是目測法測量的是表面裂紋，理論上可以與勾線法的a表面一致，但是由于測量方法的不同，兩者也會存在一些差異。直流電位法測量的電壓降應該是由整個裂紋面造成的，且與裂紋前緣的形狀有關(guān)，所以認為直流電位法代表的主要是裂紋內(nèi)部的深度，因此直流電位法和目測法得到的裂紋長度是不能直接比較的。

1.4 實驗條件與裝置

實驗工作選取400～1 100 ℃的溫度范圍，采用中心拉伸試樣（以下簡稱MT試樣）試樣測量鎳鋁系高溫合金材料和鈦鋁系金屬間化合物，試驗均采用載荷控制方式，應力比有4種，分別是R=–1、–0.5、0.1、0.5等應力比下的疲勞裂紋長度。采用電阻爐加熱，在空氣環(huán)境中進行。試樣預制1～2 mm裂紋后，開始正式試驗。所有試驗均在MTS LandMark 370-50 kN材料疲勞試驗機上完成，為盡可能排除蠕變對裂紋擴展行為的影響，裂紋擴展速率實驗頻率定為5 Hz以上。

1.5 試樣與夾具進行絕緣

由于電位法測量的是微伏級的電壓信號，絕緣不好，會使機架和試樣產(chǎn)生并聯(lián)電阻效應，對測量結(jié)果產(chǎn)生很大的影響。由于試樣與試驗機連通，本應流過試樣上的電流有部分通過夾具流到試驗機上，使試樣上的電壓值發(fā)生了變化，導致測量準確性的下降，試樣與夾具連接實物見圖8。在ASTM E647[14]介紹的試驗機與試樣之間需要進行絕緣，當兩夾具之間電阻大于試樣電阻104倍時，認為絕緣比較好。在本項目中對夾具與試樣夾持端使用了耐高溫的絕緣膠帶進行絕緣，使兩夾具之間電阻比試樣電阻大106倍，達到了試樣與夾具絕緣的目的。

圖8 室溫裂紋擴展速率實驗裝置

1.6 實驗結(jié)果比較方法

在可以進行目測實驗（比如室溫試驗）時，采用顯微鏡目測法獲得表面裂紋長度目測數(shù)據(jù)，并與直流電位法測量結(jié)果進行比較；在無法進行目測實驗（比如高溫試驗）時，采用勾線法得到裂紋前沿曲線以計算實際裂紋長度，并與直流電位法測量結(jié)果進行比較。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 實驗結(jié)果

2.1.1 2024鋁合金室溫裂紋擴展速率結(jié)果

2024鋁合金室溫裂紋擴展速率實驗的參數(shù)設置如表1所示，疲勞載荷采用單軸加載，波形為正弦波，加載頻率為10 Hz，實驗裝置如圖8所示。由于Q6-17號和Q6-72號兩根 2024鋁合金MT試樣為室溫試樣，所以其前后面都安裝了顯微鏡進行裂紋長度的測量，同時使用直流電位法與目測法進行比較，Q6-17連接參考試樣，Q6-72沒有連接。圖9為Q6-17號試樣的a-N曲線和da/dN-ΔK曲線。

表1 室溫裂紋擴展速率實驗參數(shù)設置

圖9 Q6-17號試樣a-N曲線和da/dN-ΔK曲線

2.1.2 GH4169變形高溫合金室溫/高溫對比裂紋擴展速率實驗結(jié)果

GH4169變形高溫合金高溫裂紋擴展速率實驗的參數(shù)設置如表2所示，加載方式、波形、試驗頻率與上述試驗一致。實驗中同時采用勾線法和直流電位法測量了4號MT試樣在室溫條件下和6號MT試樣在450 ℃條件下、應力比都為–1的疲勞裂紋擴展速率試驗。表3中對比了使用直流電位法和勾線法測量的6號試樣裂紋長度數(shù)據(jù)。圖10為6號試樣的a-N曲線和da/dN-ΔK曲線。

圖10 6號試樣a-N曲線和da/dN-ΔK曲線

表2 GH4169 室溫/高溫對比裂紋擴展速率實驗參數(shù)設置

表3 使用體式顯微鏡測量的6號試樣斷口兩側(cè)過載線數(shù)據(jù)

2.1.3 TiAl金屬間化合物合金高溫裂紋擴展速率實驗結(jié)果

TiAl金屬間化合物合金高溫裂紋擴展速率實驗的參數(shù)設置如表4所示，疲勞加載方式、波形、試驗頻率與上述試驗一致，試驗溫度從650～800 ℃、應力比0.5、0.1、–0.5、–1的疲勞裂紋擴展實驗。實驗中采用勾線法和直流電位法測量了試樣的疲勞裂紋長度進行對比。使用體式顯微鏡測量得到如表5所示的勾線數(shù)據(jù)。圖11為1號試樣的a-N曲線和da/dN-ΔK曲線。

表4 TiAl高溫裂紋擴展速率實驗參數(shù)設置

表5 使用體式顯微鏡測量的1號試樣斷口兩側(cè)過載線數(shù)據(jù)

圖11 1號試樣a-N曲線和da/dN-ΔK曲線

2.2 實驗結(jié)果分析

2.2.1 參考試樣對測量結(jié)果的影響分析

試樣材料自身的溫度變化可能導致所測裂紋端電壓發(fā)生變化，例如試樣溫度每變化1 ℃，由于材料導電率的變化可導致電位信號的微伏級的變化，某些材料在高溫實驗中還顯示出導電率隨時間而變化。為消除試驗材料自身和儀器溫度變化對裂紋測量長度的影響，可以使用在基準位置上所測電壓值作為基準電壓測量值，基準位置可以來自實驗用試樣，也可以來自同一環(huán)境中的其他試樣，而本文中都是使用同一環(huán)境中的其他試樣。

在室溫條件下，使用直流電位法與目測法測量的裂紋長度進行了比較。同時Q6-17連接參考試樣、Q6-72沒有連接，表6和表7分別是Q6-17號試樣和Q6-72號試樣的直流電位法和目測法裂紋長度測量結(jié)果的比較，用電位法測量的裂紋長度減去目測法測量的裂紋長度再除電位法測量的裂紋長度，就得到測量相對誤差。Q6-17連接參考試樣，從表2可以看出在整個試驗過程中，電位法與目測法誤差最大是在50 288周次時，相對誤差為0.76%；最小是在72 509周次時，相對誤差為0.14%，從圖9（a）可以看出，Q6-17電位法和目測法的結(jié)果接近，平均相對誤差為0.39%。Q6-72沒有連接參考試樣，兩次測量的相對誤差都超過1%，而Q6-72試樣平均相對誤差為1.25%。通過Q6-17號試樣和Q6-72號試樣結(jié)果對比，使用參考試樣Q6-17試樣測量結(jié)果更接近目測試驗結(jié)果，比沒有使用參考試樣的Q6-72試樣的測量結(jié)果好3倍多。從中可以得到如下結(jié)論：在裂紋擴展試驗中使用參考試樣測量的裂紋長度結(jié)果比沒有使用參考試樣測量的裂紋長度結(jié)果更好；裂紋擴展試驗中，使用參考試樣可以很好地消除溫度波動對測量結(jié)果的影響。

表6 Q6-17號試樣裂紋長度測量結(jié)果比較

表7 Q6-72號試樣裂紋長度測量結(jié)果比較

2.2.2 使用勾線法標定電位法的測量結(jié)果分析

在GH4169變形高溫合金高溫疲勞裂紋擴展試驗中，使用勾線法標定電位法測量的裂紋長度數(shù)據(jù)。表8為電位法測量的裂紋長度分別與勾線法測量的平均裂紋長度、內(nèi)部裂紋長度和表面裂紋長度進行比較，電位法測量的裂紋長度與內(nèi)部裂紋長度的誤差為0.170 mm、與表面裂紋長度的誤差為0.364 mm、與平均裂紋長度的誤差為0.245 mm。電位法測量的裂紋長度與勾線法測量的平均裂紋長度進行比較，通過δ平均除以勾線法測量的平均裂紋長度得到電位法測量相對誤差，電位法與平均裂紋長度的相對誤差為1.79%，圖12為電位法測量裂紋長度與勾線法測量的平均裂紋長度的對比曲線，最大誤差發(fā)生在第一條過載線，相對誤差為–3.55%；最小誤差在第三條過載線處，誤差為0.92%。從圖12中也可以看到，除在第三條過載線處，其他過載處電位法測量裂紋長度都比勾線法測量的平均裂紋長度稍快。從以上結(jié)果可以看出，電位法測量結(jié)果與內(nèi)部裂紋長度結(jié)果最為接近，也說明電位法與勾線法的測量結(jié)果還是比較一致，但電位法與表面裂紋長度結(jié)果有差異，主要原因是電位法測量的平均裂紋長度，而表面裂紋長度是目測法測量的，從圖7（a）也可以看出，兩側(cè)的表面裂紋長度是要小于內(nèi)部裂紋長度，在高溫試驗時，目測法只能測量到試樣單側(cè)的裂紋長度。

表8 使用直流電位法和勾線法測量的6號試樣斷口過載線數(shù)據(jù)對比

圖12 電位法測量裂紋長度與勾線法測量的平均裂紋長度的對比曲線

3 結(jié)束語

1)在鋁合金的裂紋擴展試驗中，使用了直流電位法與目測法測量的裂紋長度，并對其測量結(jié)果進行對比，Q6-17試樣在裂紋擴展試驗中連接參考試樣，其平均相對誤差為0.39%；而Q6-72沒有連接參考試樣，其平均相對誤差為1.25%。結(jié)果表明使用參考試樣測量結(jié)果更接近目測試驗結(jié)果，比沒有使用參考試樣測量結(jié)果好3倍多；說明在裂紋擴展試驗中使用參考試樣測量的裂紋長度結(jié)果可以很好地消除溫度波動對測量結(jié)果的影響；

2)在GH4169變形高溫合金高溫疲勞裂紋擴展試驗中，使用勾線法標定電位法測量的裂紋長度數(shù)據(jù)。結(jié)果表明，電位法測量的裂紋長度與勾線法測量平均裂紋長度的平均相對誤差為1.79%，說明在高溫實驗環(huán)境下，試樣出現(xiàn)表面氧化，可以使用直流電位法進行裂紋長度的測量。

3)在室溫～800 ℃實驗環(huán)境下，直流電位法對于高導電率的鋁合金和鈦合金材料負應力比疲勞裂紋擴展實驗中可發(fā)揮獨特的作用。