材料疲勞裂紋門檻值測定方法研究

李旭東，穆志韜，孔光明，呂航

（海軍航空工程學院 青島校區(qū)，山東 青島 266041）

在工程設計中長期以來一直追求對材料的最有效利用，導致結構強度安全儲備越來越少，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注。尤其在航空領域，現(xiàn)代飛機的造價越來越高，大量老齡飛機需要超齡服役，而在新飛機定壽或老齡飛機延壽工作中，最主要的一項內容就是考核結構材料的疲勞性能指標。在材料疲勞性能研究中，疲勞裂紋擴展門檻值ΔKth是一個非常重要的指標，而金屬材料的ΔKth一般定義為裂紋擴展速率為10-10m/cycle時所對應的應力強度因子范圍ΔK。各國針對該項指標均提出了測定方法并將其列入國家標準，其方法可以闡述為：當裂紋擴展速率滿足時，進行多次測量，通過線性回歸法擬合出線性關系，該線性關系在m/cycle時計算得到的ΔK值即為ΔKth［1-6］。該方法存在明顯的不足之處：1）裂紋長度測定不夠精確，尤其近門檻值裂紋擴展存在很強的閉合效應，目視檢測誤差較大［7－15］；2）測量周期長，成本高。

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

1 試驗測量

1.1 試驗件材料

試驗樣件所用材料為LY12CZ航空用鋁合金。材料的力學性能（實測值）：抗拉強度447 MPa，屈服強度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 試驗設備

疲勞加載采用液壓伺服加載裝置的SS550（Shimadzu，Tokyo）SEM原位觀測系統(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電鏡進行高精度的原位觀測，獲得的圖像可以通過數據接口傳輸給計算機，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。疲勞加載采用應力控制，即正弦波形應力比R為0.1的拉拉疲勞［6－11］。

為了縮短試驗時間，疲勞加載頻率設定為f=5 Hz，采集圖像時為了獲得分辨率更高的圖片，將頻率暫時降低為f=0.1 Hz［12－14］。

圖1 試樣尺寸Fig.1 Specimen details

圖2 裂紋長度aFig.2 Illustration of crack length a

1.3 試驗方法

試驗過程中首先取較大的應力載荷使裂紋萌生。試驗中采取的初始載荷為270 MPa，鎖定加載應力比R=0.1不變。當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展門檻值，每次降載幅度不宜太大，試驗中設定每次應力降低10 MPa。每次降載后，加載試驗2×104個應力循環(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，測量其擴展長度值，若測量得到裂紋擴展增量Δa＞2×10－6m，則表明裂紋擴展速率10-10m/cycle，則需要降低加載應力以降低裂紋擴展速率，直至測量得到在兩次觀測時間內（即2×104個應力循環(huán)內）裂紋擴展長度Δa≤2×10-6m，即裂紋擴展速率時停止試驗。此時對應的應力強度因子即可認為是疲勞裂紋擴展門檻值。對于文中所采用的帶有缺口的試件，其應力強度因子的計算如下：

式中：Δσ為疲勞應力幅值。由于本次試驗中應力比R=0.1，因此可以將循環(huán)應力最大值作為應力幅值，即σmax≈Δσ；a表示裂紋長度，疲勞裂紋擴展路徑呈現(xiàn)極不規(guī)則的形態(tài)，造成長度難以測量，因此文中裂紋長度一律定義為裂紋在垂直于載荷的方向上的投影長度，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到的“之”字形擴展路徑在宏觀尺度下都可以看成是直線擴展。由于試件中有預制裂紋，因此式（1）中裂紋長度需要計入預制裂紋長度a0（如圖2所示）；W表示試件疲勞加載區(qū)的總寬度；f（a/W）是與裂紋有關的形狀修正因子。根據不同的形狀缺口預制試件，其形狀因子表達式f（a/W）可做如下修正。

2 試驗結果及討論

2.1 疲勞裂紋擴展形貌

試樣在最大應力為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。降低應力水平至250 MPa，試樣表面裂紋形貌如圖4a所示。在該應力載荷下循環(huán)2×104周次后，裂紋長度增長量Δa＜2 μm，如圖4b所示。即該應力水平下裂紋擴展速率，則可以認為此時所得應力強度因子即為疲勞裂紋擴展門檻值。

2.2 裂紋擴展門檻值計算

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)周次時的裂紋形貌Fig.4 Crack morphology of different cycles atσmax=250 MPa for LY12CZ

通過原位測量得到，試件寬度W=5 mm。在最大應力σmax=250 MPa，應力比R=0.1的情況下，當實際裂紋長度為23.1 μm時（包含預制裂紋長度a0），得到裂紋擴展速率，則通過式（1）以及式（2）的過程得到LY12CZ合金室溫下應力比為0.1時的裂紋擴展門檻值為2.38 MPa·m1/2。

文獻［3］測定LY12CZ鋁合金在R=0.1時的裂紋擴展門檻值為2.67 MPa·m1/2，本試驗方法測得結果其誤差小于10%，故本測量方法工程上是可行的。

按照現(xiàn)行的GB 6398－2000提供的測定材料疲勞門檻值推薦方法，往往測定一個試件的門檻值就需要若干天時間，而文中觀測方法，在較短時間內（本實驗中僅循環(huán)加載了不到30 000個應力循環(huán)）便可以判斷不同應力水平下的裂紋擴展速率，從而在數小時之內就可以測定材料疲勞裂紋擴展門檻值。

無論是按照美國材料協(xié)會ASTM標準還是按照國家標準，測定疲勞裂紋擴展門檻值往往采用尺寸較大的CT試樣。而本試驗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)約實驗材料。尤其是一些比較昂貴的試驗材料，如鈦合金，用本實驗方法更具有經濟價值。

不過，由于文中用原位觀測方案測定門檻值，需要間隔一定循環(huán)次數（文中為間隔2×104個循環(huán)）觀測一次裂紋擴展情況，實際上對裂紋擴展情況無法做到完全的實時跟蹤，因此無法恰好得到時所對應的應力強度因子，只能得到時所對應的應力強度因子值，而該值低于材料真正的疲勞裂紋擴展門檻值。因此本方法給出的門檻值往往偏于保守。

3 結論

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

1）提高了裂紋擴展長度的測量精度，有效修正了近門檻值的短裂紋的閉合效應；

2）借助掃描電鏡的直接測量，可以實時判斷裂紋的擴展速率，以及通過改變施加的載荷，控制應力強度因子迅速逼近門檻值，從而大大地縮短了測定周期。

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