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CN112285140B - 一种单晶超高周疲劳内部裂纹早期扩展速率定量表征方法 - Google Patents

一种单晶超高周疲劳内部裂纹早期扩展速率定量表征方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种单晶超高周疲劳内部裂纹早期扩展速率定量表征的方法，基于特定载荷谱的超声疲劳试验，实现了“断口刻痕”，建立了一套基于断口反推的定量表征内部疲劳裂纹扩展速率的模型；该模型无需关注试验过程，仅根据疲劳断口及试验条件即可快速计算疲劳裂纹扩展速率与应力强度因子幅值的关系，进而分析疲劳裂纹扩展过程中扩展速率的变化。

Description

一种单晶超高周疲劳内部裂纹早期扩展速率定量表征方法
技术领域
本发明属于疲劳裂纹测试领域，涉及一种单晶超高周疲劳内部裂纹早期扩展速率定量表征方法。
背景技术
镍基单晶高温合金具有高温强度高、抗氧化性强、抗疲劳性能优异等优点，是现阶段先进航空发动机涡轮叶片的选用材料。超高周疲劳失效是涡轮叶片在服役中后期面临的一个重要问题。单晶高温合金的超高周疲劳裂纹主要从铸造气孔、组织疏松、碳化物、共晶组织等内部缺陷处萌生，裂纹大多沿同一个平面扩展。研究表明，超高周疲劳裂纹的萌生阶段和早期扩展阶段消耗了疲劳寿命的绝大部分，早期裂纹扩展速率的定量表征有助于反推裂纹扩展寿命和萌生寿命。由于单晶高温合金的超高周疲劳裂纹萌生于内部，无法应用常规的表面观察法、电位降法及柔度法测量裂纹扩展速率。并且，在单晶的第一阶段扩展过程中，没有疲劳条带等典型特征，不能用基于疲劳条带的断口定量反推方法。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种单晶超高周疲劳内部裂纹早期扩展速率定量表征方法，设置特定载荷谱实现断口刻痕，对疲劳弧线到疲劳源区的距离进行测量，通过疲劳弧线来反推裂纹扩展速率，并计算不同弧线处的应力强度因子幅值，建立裂纹扩展速率与应力强度因子幅值的关系，进而反推裂纹扩展寿命和裂纹萌生寿命。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案。
一种单晶超高周疲劳内部裂纹早期扩展速率定量表征方法，包括以下步骤：
(1)设计并加工超声疲劳试件，制定特定载荷谱：σ1/τ1+σ2/τ2，σ1和σ2分别为高幅载荷和低幅载荷，τ1和τ2分别为高幅载荷和低幅载荷作用的时间，利用超声疲劳试验机对试件进行疲劳试验，试验结束后记录试件的疲劳寿命，获得疲劳断口；
(2)利用扫描电镜首先对断口宏观形貌进行拍照，其次对疲劳弧线存在的区域进行拍照；
(3)利用扫描电镜的测量工具测量各条疲劳弧线到源区的距离即疲劳裂纹的长度，记为ai；测量相邻疲劳弧线间的距离，记为Δai；利用以上测量数据，通过公式(1)计算裂纹扩展速率dai/dN：
Figure BDA0002732272460000021
利用公式(2)计算疲劳弧线处的应力强度因子幅值ΔKi：
Figure BDA0002732272460000022
式(2)中，F指形状因子，σa指循环加载应力；
(4)利用步骤(3)中计算得到的数据建立dai/dN与ΔKi的关系：纵坐标为dai/dN，横坐标为ΔKi。
进一步的，低幅载荷的选取原则为该载荷对应的应力强度因子幅值ΔKi小于疲劳裂纹扩展门槛值ΔKth。
进一步的，所述疲劳试验的试验频率是20kHz。
本发明相对于现有技术的优点在于：基于特定载荷谱的超声疲劳试验，实现了“断口刻痕”，建立了一套在试验后通过疲劳断口反推裂纹扩展速率的方法，该方法引入了疲劳弧线，但是不影响裂纹扩展行为和扩展速率，无需关注试验过程，也不会增加超声疲劳试验装置复杂度。
附图说明
图1(a)为DD6单晶的疲劳断口，图1(b)为疲劳源区附近的疲劳弧线。
图2为DD6单晶裂纹扩展速率da/dN与应力强度因子ΔK的关系。
具体实施方式
以下将结合具体实施例对本发明的思路、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。
一种单晶超高周疲劳内部裂纹早期扩展速率定量表征方法，包括以下步骤：
(1)设计并加工超声疲劳试件，制定特定载荷谱：σ1/τ1+σ2/τ2，σ1和σ2分别为高幅载荷和低幅载荷，低幅载荷的选取原则为该载荷对应的应力强度因子幅值ΔKi小于疲劳裂纹扩展门槛值ΔKth，疲劳裂纹在低幅载荷下克服高载荷导致的过载迟滞效应，产生疲劳弧线；τ1和τ2分别为高幅载荷和低幅载荷作用的时间；利用超声疲劳试验机对试件进行疲劳试验，试验结束后记录试件的疲劳寿命，获得疲劳断口；
(2)利用扫描电镜首先对断口宏观形貌进行拍照，其次对疲劳弧线存在的区域进行拍照；
(3)疲劳裂纹在低幅载作用下形成疲劳弧线，在高幅载荷下向前扩展，相邻弧线间的距离为一次高幅载荷作用下裂纹扩展的距离，相邻弧线间的距离与一次高幅载荷循环周次的比值即为裂纹扩展速率。利用扫描电镜的测量工具测量各条疲劳弧线到源区的距离即疲劳裂纹的长度，记为ai；测量相邻疲劳弧线间的距离，记为Δai；利用以上测量数据，通过公式(1)计算裂纹扩展速率dai/dN：
Figure BDA0002732272460000031
利用公式(2)计算疲劳弧线处的应力强度因子幅值ΔKi：
Figure BDA0002732272460000032
式(2)中，F指形状因子，σa指循环加载应力；
(4)利用步骤(3)中计算得到的数据建立dai/dN与ΔKi的关系：纵坐标为dai/dN，横坐标为ΔKi。
实施例1
以DD6单晶为例，基于断口刻痕的单晶超高周疲劳内部裂纹早期扩展速率定量表征的具体步骤如下：
(1)设计并加工DD6单晶超声疲劳试件，标记为试件1，采用超声疲劳试验机对试件1进行超高周疲劳试验，试验温度为1000℃，试验频率为20kHz，载荷谱为：200MPa/120ms+20MPa/360ms，试验结束后获得试件1的疲劳寿命数据和疲劳断口；
(2)利用扫描电镜对步骤(1)中得到的疲劳断口进行观察，图1(a)为疲劳断口的整体形貌(白色方框所示为疲劳源区)，疲劳裂纹从内部铸造疏松处萌生，疲劳源区附近存在疲劳弧线，如图1(b)中白色箭头所示。
(3)测量各条疲劳弧线距离源区的距离ai及相邻疲劳弧线间的距离Δai，测量结果如表1所示。利用式(1)求得不同弧线位置处的裂纹扩展速率dai/dN，利用式(2)计算各弧线位置处的应力强度因子幅值ΔKi，计算结果如表1所示。
表1疲劳弧线距离源区距离的测量结果
Figure BDA0002732272460000041
(4)利用步骤(3)中计算所得的结果作图，所得da/dN与ΔK的关系如图2所示。由图2可以看出，da/dN与ΔK呈现双对数线性关系，满足Paris公式da/dN＝c(ΔK)n。
由此可得，dN＝da/c(ΔK)n，两边积分可得早期裂纹扩展寿命N的计算公式，积分下限为第一条疲劳弧线距离源区的距离，积分上限为最后一条疲劳弧线距离源区的距离。超高周疲劳裂纹的萌生寿命和早期扩展寿命占据了总疲劳寿命的绝大部分(超过90％)，晚期裂纹扩展寿命可以忽略不计，总疲劳寿命减去早期裂纹扩展寿命即可得到裂纹萌生寿命。
以上对本发明的较佳实施方式进行了具体说明，但本发明创造也适合于诸如镍基柱晶高温合金等其他大平面早期扩展裂纹的速率表征，对于其他材料，载荷范围和温度范围需要重新界定，这些等同的应用均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (2)

1.一种单晶超高周疲劳内部裂纹早期扩展速率定量表征方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)设计并加工超声疲劳试件，制定特定载荷谱：σ1/τ1+σ2/τ2，σ1和σ2分别为高幅载荷和低幅载荷，低幅载荷的选取原则为该载荷对应的应力强度因子幅值ΔKi小于疲劳裂纹扩展门槛值ΔKth，疲劳裂纹在低幅载荷下克服高幅载荷导致的过载迟滞效应，产生疲劳弧线，τ1和τ2分别为高幅载荷和低幅载荷作用的时间，利用超声疲劳试验机对试件进行疲劳试验，试验结束后记录试件的疲劳寿命，获得疲劳断口；
(2)利用扫描电镜首先对断口宏观形貌进行拍照，其次对疲劳弧线存在的区域进行拍照；
(3)利用扫描电镜的测量工具测量各条疲劳弧线到源区的距离即疲劳裂纹的长度，记为ai；测量相邻疲劳弧线间的距离，记为Δai；利用以上测量数据，通过公式(1)计算裂纹扩展速率dai/dN：
Figure FDA0003356547140000011
利用公式(2)计算疲劳弧线处的应力强度因子幅值ΔKi：
Figure FDA0003356547140000012
式(2)中，F指形状因子，σa指循环加载应力；
(4)利用步骤(3)中计算得到的数据建立dai/dN与ΔKi的关系：纵坐标为dai/dN，横坐标为ΔKi。
2.根据权利要求1所述的一种单晶超高周疲劳内部裂纹早期扩展速率定量表征方法，其特征在于，所述疲劳试验的试验频率是20kHz。
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