數(shù)字散斑法研究材料應變疲勞壽命的實例分析

徐葉松

（無錫市計量測試中心，江蘇 無錫 214000）

數(shù)字散斑法研究材料應變疲勞壽命的實例分析

徐葉松

（無錫市計量測試中心，江蘇 無錫 214000）

機械零件由于長時間工作造成損壞，并且影響其使用壽命和使用效果。研究這次額及其部件的損壞及分析具體原因也顯得極為重要。通過使用數(shù)字散斑相關法作為彈塑性變形的檢測技術對材料的損傷和壽命做了相關的研究、探索。介紹了試驗的設備及試件、試驗方法、試驗數(shù)據(jù)處理方法、數(shù)據(jù)處理舉例及結果匯總。研究表明，材料的應變疲勞壽命與裂端的塑性應變相關。試驗的研究方法和成果對日后相關研究及推測有很好的借鑒作用，為相關研究奠定了良好的基礎。

數(shù)字散斑法；研究；材料；應變

機械零件在長時間的工作環(huán)境中由于疲勞累積損傷裂紋，造成突然斷裂等失效的現(xiàn)象極為普遍。研究零件從裂紋成核至微裂紋萌生、再至宏觀裂紋的亞臨界擴展到零件最終斷裂的全過程的材料行為，對建立材料損傷與疲勞壽命的聯(lián)系及機械零件的可靠性控制極為重要。

研究表明，材料的應變疲勞壽命與裂端的塑性應變有關。因此，研究測量應變集中區(qū)域的彈塑性變形及其與疲勞循環(huán)次數(shù)的相關性，對于研究裂紋萌生期的材料損傷，預防零件中宏觀裂紋的產(chǎn)生及擴展具有十分重要的意義。

筆者參與中航一集團沈陽發(fā)動機設計研究所的委托項目“發(fā)動機關鍵部件的損傷容限設計方法研究”中的部分研究工作，通過使用數(shù)字散斑相關法作為彈塑性變形的檢測技術，研究獲得了GH4169材料孔邊名義的應力～應變關系與疲勞循環(huán)次數(shù)的相關性，研究方法及結果對于建立材料損傷與壽命的聯(lián)系、探索壽命預測方法有很好的借鑒作用。

1 實驗設備及試件

①力值加載設備為MTS809材料試驗機，載荷讀數(shù)精度為0.5%，攝像用空間分辨率為768×576像素的CCD；②試件的材料為 GH4169，其 σ0.2=1 245MPa；σb=1 460MPa，試件及尺寸如圖1所示；③通過利用交替噴灑黑漆點和白漆點的方法，預先在試件孔周的表面上制成隨機分布的白光散斑圖，如圖2所示。

2 實驗方法

圖1 試件尺寸圖

圖2 孔周白光散斑圖

圖3 位移矢量增量分布圖

2.1 力值加載設定

①疲勞循環(huán)的按載荷譜0→Pmax→0的加載方式進行，最大載荷Pmax＝12 kN，疲勞試驗頻率為10Hz；②在一組疲勞循環(huán)（500次為一組）前、后分別進行一次緩慢加載循環(huán)，從而依靠CCD記錄下各級載荷作用時孔周附件的白光散斑圖。緩慢循環(huán)實驗時，將最大載荷Pmax分成八級，從0載開始，逐級加載最大載荷Pmax，再逐級卸載至0載荷。一次緩慢循環(huán)實驗大約需用2.5min。

緩慢循環(huán)實驗時，每一級載荷Pi對應的孔邊的名義應力σi按下式計算：

式中，δ——試件的厚度，

b——試件的寬度，

Ky=3——是名義應力集中系數(shù)。

2.2 實驗具體步驟

①在疲勞試驗前，首先進行緩慢循環(huán)實驗，用顯微攝錄系統(tǒng)記錄下各級載荷作用下孔周的白光散斑圖；②疲勞循環(huán)500次Ni(Ni=0，1，2，3…)后停機，再進行緩慢循環(huán)實驗，同樣用顯微攝錄系統(tǒng)記錄下每一個緩慢循環(huán)實驗中各級載荷作用下的孔周白光散斑。

如此反復，試件在經(jīng)過21 000多次疲勞循環(huán)后斷裂破壞。

3 實驗數(shù)據(jù)處理方法

①利用數(shù)字散斑相關技術，求出每次緩慢循環(huán)加載實驗中每一級載荷作用下的孔周位移場，并采用逐點最小二乘法，對所得位移場進行濾波處理；②求出最大載荷Pmax作用下孔周的縱向位移分量V（x,y）的等值線分布圖以及縱向應變分量εy（x,y）的等值線分布圖；③利用所求位移分量Vi（x,y）的分布，找出孔邊所在縱剖面（y方向，也即拉伸方向）內(nèi)各像素點上的縱向位移分量Vi（x0,y）；④利用最小二乘法對該剖面內(nèi)離散的位移分量Vi（x0,y）進行曲線擬合，得到該剖面內(nèi)位移分量的解析表達式V（x0,y）；⑤將位移分量V（x0,y）對y求導，得到該剖面內(nèi)正應變εy的解析表達式，并求出孔中心所在橫向剖面內(nèi)的孔邊的應變值εy；⑥按公式（1）求出孔邊應力名義 σi；⑦畫出孔邊名義應力 σi～εi的關系曲線。

圖4 縱向位移分量V(x,y)的增量等值線分布圖

圖5 縱圖向應變分量εy(x,y)增量值分布圖

圖6 縱向剖面內(nèi)的縱向位移分量V(x0,y)的增量值線分布圖增量分布及其擬合曲線

圖7 疲勞試驗前第N0次關系曲線

4 數(shù)據(jù)處理舉例及結果匯總

圖3和圖4分別是疲勞循環(huán)10 000次、第N20次緩慢循環(huán)實驗時，最大載荷Pmax作用下，相對疲勞循環(huán)10 000次零載時，孔周附近的位移矢量增量分布圖和縱向位移分量V（x,y）的增量等值線分布圖。

圖8 第N4次～第N20次的關系曲線

圖9 第N24次～第N40次的關系曲線

圖5和圖6分別是疲勞循環(huán)10 000次、第N20次緩慢循環(huán)實驗時，最大載荷Pmax作用下，相對疲勞循環(huán)10 000次零載時，孔周附近縱向應變分量εy（x,y）的增量等值線分布圖和孔邊所在縱向剖面內(nèi)各像素點上的縱向位移分量V（x0,y）的增量及其擬合曲線。

疲勞循環(huán)10 000次、第N20次緩慢循環(huán)實驗時，最大載荷Pmax作用下，相對疲勞循環(huán)10 000次零載時，孔邊縱向剖面位移分量V(x0,y)的增量及應變分量εy的增量解析表達式為：

V(x0，y)=0.000 087y3-0.000 092y+0.005 226y-0.001 437

=0.000 261y-0.000 184y+0.005 226

對每個疲勞循環(huán)的結果進行匯總，其中圖7是疲勞試驗前進行的第N0次緩慢循環(huán)實驗的名義應力～應變曲線；圖8中從左向右5條曲線分別是疲勞試驗后進行的緩慢循環(huán)實驗N4、N8、N12、N16和N20的名義應力～應變曲線。圖9中從左向右5條曲線分別是疲勞試驗后進行的緩慢循環(huán)實驗N24、N28、N32、N36和N40的名義應力～應變曲線。相臨每兩個名義應力～應變曲線之間的疲勞循環(huán)次數(shù)為2 000次。

5 實驗結論

由上圖組所示孔邊名義應力～應變關系隨疲勞循環(huán)次數(shù)的關系曲線可以發(fā)現(xiàn)如下現(xiàn)象。

①疲勞試驗前的第N0次緩慢循環(huán)實驗在孔邊造成了很大的殘余性應變，大約在0.01左右。②疲勞試驗中，第N4次～第N20次緩慢循環(huán)實驗，在孔邊產(chǎn)生的殘余應變增量極小。加上疲勞試驗在孔邊產(chǎn)生的殘余應變增量也不大，所以這些名義應力～應變關系曲線幾乎重合，難以分辨，甚至還有交叉。③一次緩慢循環(huán)實驗造成的孔邊殘余應變遠遠大于疲勞試驗一個周期造成的殘余應變，緩慢加載(準靜態(tài))會給試件造成更大的損傷。④第N24次～第N40次(第N24次～第N36次)緩慢循環(huán)實驗，在孔邊產(chǎn)生了越來越大的殘余應變增量，這表明孔邊材料的疲勞損傷已經(jīng)非常嚴重，疲勞壽命已經(jīng)不多了。

Analysisof Digital Speckle Material Strain Fatigue Life Examples

Xu Yesong

Abstract:mechanical parts,damage due to longworking hours,and the impactof its service life and the use ofeffects.The research of this amountand its damage to the components and analysisof the specific reasons isextremely important.Article through the use ofdigital speckle correlationmethod aselastoplastic deformation detection technology ofmaterialdamage and life-related research,and explore.Testequipmentand specimen,testmethods,testdata processingmethod,data processing,for example,and the results always.Studies have shown,the Strain Fatigue life and crack tip plastic strain related.Researchmethods and results of the test is a good reference for future research and speculate,and laid a good foundation for the research.

digitalspeckle;research;materials;contingency

TH 71/89

A

1000-8136（2013）02-0151-02

（編輯：王靜）