[go: up one dir, main page]

CN116341216A - 一种用频率衰减量推算金属材料疲劳裂纹萌生的测量方法 - Google Patents

一种用频率衰减量推算金属材料疲劳裂纹萌生的测量方法 Download PDF

Info

Publication number
CN116341216A
CN116341216A CN202310206909.1A CN202310206909A CN116341216A CN 116341216 A CN116341216 A CN 116341216A CN 202310206909 A CN202310206909 A CN 202310206909A CN 116341216 A CN116341216 A CN 116341216A
Authority
CN
China
Prior art keywords
test
frequency
crack initiation
scale
fatigue
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202310206909.1A
Other languages
English (en)
Inventor
张亚军
徐宁
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Luoyang Shipbuilding Materials Research Institute 725th Research Institute Of China Shipbuilding Corp
Original Assignee
Luoyang Shipbuilding Materials Research Institute 725th Research Institute Of China Shipbuilding Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Luoyang Shipbuilding Materials Research Institute 725th Research Institute Of China Shipbuilding Corp filed Critical Luoyang Shipbuilding Materials Research Institute 725th Research Institute Of China Shipbuilding Corp
Priority to CN202310206909.1A priority Critical patent/CN116341216A/zh
Publication of CN116341216A publication Critical patent/CN116341216A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
    • G06F30/20—Design optimisation, verification or simulation
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N3/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
    • G01N3/32—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress by applying repeated or pulsating forces
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F17/00—Digital computing or data processing equipment or methods, specially adapted for specific functions
    • G06F17/10—Complex mathematical operations
    • G06F17/18—Complex mathematical operations for evaluating statistical data, e.g. average values, frequency distributions, probability functions, regression analysis
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F2119/00—Details relating to the type or aim of the analysis or the optimisation
    • G06F2119/02—Reliability analysis or reliability optimisation; Failure analysis, e.g. worst case scenario performance, failure mode and effects analysis [FMEA]
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F2119/00—Details relating to the type or aim of the analysis or the optimisation
    • G06F2119/04—Ageing analysis or optimisation against ageing

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Data Mining & Analysis (AREA)
  • Mathematical Analysis (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mathematical Physics (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Pure & Applied Mathematics (AREA)
  • Mathematical Optimization (AREA)
  • Computational Mathematics (AREA)
  • Evolutionary Computation (AREA)
  • Databases & Information Systems (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Bioinformatics & Computational Biology (AREA)
  • Operations Research (AREA)
  • Probability & Statistics with Applications (AREA)
  • Bioinformatics & Cheminformatics (AREA)
  • Algebra (AREA)
  • Geometry (AREA)
  • Evolutionary Biology (AREA)
  • Software Systems (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Investigating Strength Of Materials By Application Of Mechanical Stress (AREA)

Abstract

本发明提供一种用频率衰减量推算金属材料疲劳裂纹萌生的测量方法，使用高频疲劳试验机，在恒载荷幅控制模式下，确定高频疲劳试验机和试样组成的系统发生共振时的试验频率，在试样疲劳裂纹萌生过程中，试验频率发生衰减，通过事先建立出试样疲劳裂纹萌生尺度和试验频率衰减量的关系，在试验过程中，通过检测试验频率的衰减量来确定疲劳裂纹的萌生尺度和萌生寿命。通过本发明的试验测量方法获得某一萌生尺度下裂纹的萌生寿命，解决目前在试验室虽然高频疲劳试验机应用较多，但并未见到这类试验机基于恒载荷幅控制模式下的疲劳裂纹萌生试验测量方法的报道，而疲劳裂纹萌生寿命在整个疲劳寿命中占比较高，在工程结构安全可靠性评估与全寿命校核中具有重要意义的难题。

Description

一种用频率衰减量推算金属材料疲劳裂纹萌生的测量方法
技术领域
本发明涉及疲劳性能测试技术领域，具体而言，涉及一种用频率衰减量推算金属材料疲劳裂纹萌生的测量方法。
背景技术
金属材料疲劳寿命通常包括裂纹萌生寿命、扩展寿命和断裂寿命，断裂寿命一般很短，常可以忽略。疲劳裂纹扩展寿命，专家学者们已经研究了很多，且形成了可以参照执行的各类试验标准，如GB/T 6398-2017《金属材料疲劳试验疲劳裂纹扩展方法》、ASTME647-2015《疲劳裂纹扩展速率测量的标准试验方法》等，在这些标准中，除了可以获得金属材料的疲劳裂纹扩展速率方程，也能同时获得疲劳裂纹扩展至一定长度时相应的疲劳寿命。有研究表明，无论高周还是低周疲劳，包括不锈钢、镍基合金、铝合金、铜合金等金属材料的疲劳裂纹萌生寿命占据总寿命的40％～90％，甚至更高，足见研究疲劳裂纹萌生寿命的意义。
对于疲劳裂纹萌生寿命，尽管有一些专家学者提出多种理论预测模型，但由于材料本身的差异性，导致通用性理论预测模型精度较低，且很难在工程中获得应用。也有学者发明了间接获得疲劳裂纹萌生的试验测量方法，包括在恒应变幅和恒位移幅控制条件下，通过事先研究并标定应力与载荷的衰减量分别与裂纹萌生尺度的关系，实现在试验过程中通过监测应力和载荷衰减量而获得裂纹的萌生尺度，其对应的疲劳寿命就是裂纹萌生寿命，然而该试样试验成本较高、在工程上应用价值较低。为了节约试验成本，加快疲劳试验进度，目前在试验室应用较多的是高频疲劳试验机，该试验机控制模式通常为恒载荷幅，目前并未见到基于恒载荷幅控制模式下疲劳裂纹萌生试验测量方法的报道。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种金属材料疲劳裂纹萌生的测量方法。以解决现有技术中由于材料本身差异性、导致通用性理论预测模型精度较低，且很难在工程中获得应用；试样试验成本高、在工程上应用价值低以及现有技术中并未记载高频疲劳试验机的恒载荷幅下能够推算疲劳裂纹萌生方法的问题。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种用频率衰减量推算金属材料疲劳裂纹萌生的测量方法，使用高频疲劳试验机，在恒载荷幅控制模式下，确定高频疲劳试验机和试样组成系统发生共振时的试验频率，试样在疲劳裂纹萌生过程中，试验频率发生衰减，通过事先建立出试样疲劳裂纹萌生尺度和试验频率衰减量的关系，在试验过程中，通过检测试验频率的衰减量来确定疲劳裂纹的萌生尺度和萌生寿命。
该测量方法可以获得某一萌生尺度下裂纹的萌生寿命，解决目前在试验室虽然高频疲劳试验机应用较多，但并未见到这类试验机基于恒载荷幅控制模式下的疲劳裂纹萌生试验测量方法的报道，而疲劳裂纹萌生寿命在整个疲劳寿命中占比较高，在工程结构安全可靠性评估与全寿命校核中具有重要意义的难题。
进一步地，具体包括如下步骤：
步骤一：确定试样的恒载荷幅，根据试验材料的屈服强度和抗拉强度值，设定一恒定的载荷幅，作为试验控制参数；
步骤二：根据工程实际需求，确定载荷比；
步骤三：标定疲劳裂纹萌生尺度与试验频率衰减量的关系；
步骤四：设置数据采集参数；所述数据采集参数包括定期采集循环次数、试验频率；
步骤五：正式试验；将试样安装到高频疲劳试验机上，选择步骤一中的恒载荷幅和步骤二中的载荷比，启动试验机，开始试验，直至试样断裂，结束试验；
步骤六：确定裂纹萌生尺度和萌生寿命；根据采集到的循环次数和试验频率数据，拟合循环次数和试验频率衰减量的关系，再结合步骤三以确定某一试验频率衰减量下的裂纹萌生尺度，以及该裂纹萌生尺度对应的疲劳寿命，即疲劳裂纹萌生寿命。
进一步地，所述步骤三中，包括如下试验方程，高频疲劳试样机和试样组成的系统发生共振时的试验频率按下式(1)计算：
Figure BDA0004111257930000031
式中，f—试验频率，Hz；k—高频疲劳试验机和试样组成的系统刚度，N/m；m—作用在试样上的质量，kg；
根据断裂力学理论和柔度技术测量裂纹尺度的原理，归一化裂纹尺度按下式(2)计算：
Figure BDA0004111257930000032
式中，a/W为归一化裂纹尺度，a为裂纹尺度，W为试样宽度，C0、C1、C2、C3、C4、C5为柔度系数，Ux为无量纲柔度，和试验材料的弹性模量、试样尺寸、外加载荷有关，表达关系如下式(3)计算：
Figure BDA0004111257930000033
式中，B、V为试样尺寸，E为试验材料的弹性模量，P为外加载荷；
根据公式(2)式和公式(3)式可知，得到裂纹萌生尺度a1，其中，裂纹萌生尺度a1和系统的刚度k的表达关系如下式(4)计算：
Figure BDA0004111257930000034
式中，F1为第一函数符号；
根据公式(4)和公式(1)可知，得到裂纹萌生尺度a1，其中，裂纹萌生尺度a1和试验频率f的关系如下式(5)计算：
Figure BDA0004111257930000035
式中，F2为第二函数符号。
进一步地，试样疲劳裂纹萌生尺度与试验频率衰减量的关系为如下式(6)：
a1＝F3(△f)(6)
式中，a1为裂纹萌生尺度，F3为第三函数符号，△f为试验频率衰减量。
进一步地，步骤三中，疲劳裂纹萌生尺度与试验频率衰减量的标定方法具体步骤为：
S1：选择一种成分、组织结构和性能都均匀的金属材料，加工成一组试样；
S2：试样加工好后，对其进行编号，分别为0#、1#、2#、3#、4#、5#、...n#。其中，0#试样不做处理，1#、2#、3#、4#和5#...n#试样分别进一步人工预制不同尺度的裂纹a1、a2、a3、a4和a5...an，尺度大小关系为a1＜a2＜a3＜a4＜a5...＜an；
S3：不同尺度的裂纹完成后，确定试验载荷幅、载荷比的试验参数，将试样逐一安装在高频疲劳试验机上开始试验，试验开始时，记录各自稳定后的试验频率，分别为f0、f1、f2、f3、f4、f5...fn，按照前面分析，这些试验频率的大小排序为f0＞f1＞f2＞f3＞f4＞f5＞...＞fn，这样以来，就可以获得数据组(a1，f0-f1)、(a2，f0-f2)、(a3，f0-f3)、(a4，f0-f4)和(a5，f0-f5)...(an，f0-fn)；
S4：拟合数据组(a1，f0-f1)、(a2，f0-f2)、(a3，f0-f3)、(a4，f0-f4)和(a5，f0-f5)...(an，f0-fn)的关系，获得试验材料裂纹萌生尺度和试验频率衰减量的关系。
进一步地，所述循环次数每达到500～2000次，采集一次。
进一步地，所述载荷比为-1、0、0.1、0.3、0.5。
进一步地，所述试样为板状或棒状的一种。
进一步地，所述试样为棒状，所述棒状为哑铃型圆棒。
进一步地，所述裂纹萌生尺度与试验频率衰减量的关系式为一元三次递增多项式。
相对于现有技术，本发明所述的一种用频率衰减量推算金属材料疲劳裂纹萌生的测量方法。具有以下优势：
1)本发明提出的一种用频率衰减量推算金属材料疲劳裂纹萌生的测量方法，用于高频疲劳试验机恒载荷幅模式控制下，通过测量试验频率的衰减量而实现疲劳裂纹萌生尺度的预测，并确定裂纹萌生寿命，为金属材料在工程应用中的安全可靠性评估及全寿命校核提供依据。
2)本发明所述的测量方法为一种间接测量疲劳裂纹萌生尺度和萌生寿命的试验测量方法，操作简单，便于推广应用，效果显著。
附图说明
图1为本发明的裂纹萌生尺度a1和试验频率衰减量△f数据分布的关系曲线；
图2为本发明的循环次数在0-440000次中的0#试样试验频率衰减量△f和循环次数N之间的数据分布；
图3为本发明的循环次数在39000-440000次中的0#试样试验频率衰减量△f和循环次数N之间的数据分布。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。本发明中的试验频率是指高频疲劳试验机和试样组成系统发生共振时的频率；本发明中所述试样与试验材料概念没有本质区别，试样仅是试验材料的一种表现形式；本发明所述的裂纹尺度、裂纹萌生尺度，实际上均指裂纹尺度。
一、用频率衰减量推算金属材料疲劳裂纹萌生的试验测量思路对于高频疲劳试验机而言，其控制模式一般为恒载荷幅。它的工作原理是当试样装卡到试验机上后，施加某一恒载荷幅，试验机软件会自动需求试验机和试样组成的系统发生共振时的试验频率，并在这个试验频率下开始试验。恒载荷幅确定后，意味着作用在试样上的砝码质量确定，从而试验频率仅取决于系统的刚度，通常系统刚度越大，试验频率越高。当试样工作部分开始萌生疲劳裂纹并逐渐扩展过程中，系统的刚度必然会下降，从而使试验频率发生衰减。如果能事先通过某种途径，建立试验频率衰减量和裂纹萌生尺度的关系，那么，在试验过程中，就可以通过监测试验频率的衰减量来确定疲劳裂纹的萌生尺度，对应的循环次数，就是疲劳裂纹的萌生寿命。
二、试验频率衰减量与金属材料疲劳裂纹萌生尺度相关性的理论依据
如上表述，高频疲劳试验机的工作原理是试验机和试样组成的系统发生共振，并在这个共振频率下进行试验，因此，共振频率又叫试验频率。这种共振和弹簧振子的共振模型类似，其共振频率可表达为：
Figure BDA0004111257930000061
式中，f—共振频率，即试验频率，Hz；k—高频疲劳试验机和试样组成的系统刚度，N/m；m—作用在试样上的质量，kg。根据断裂力学理论和柔度技术测量裂纹尺度的原理，归一化裂纹尺度表达为：
Figure BDA0004111257930000062
式中，a/W为归一化裂纹尺度，a为裂纹尺度，mm，W为试样宽度，mm，C0、C1、C2、C3、C4、C5为柔度系数，Ux为无量纲柔度，和试验材料的弹性模量、试样尺寸、外加载荷等有关，表达如下：
Figure BDA0004111257930000063
式中，B、V为试样尺寸，mm，E为材料的弹性模量，MPa，P为外加载荷。
根据(2)式和(3)式可知，得到裂纹萌生尺度a1，mm，其中，裂纹萌生尺度a1和系统的刚度k存在某种数学关系，这种关系可表述为(4)式：
Figure BDA0004111257930000064
式中，F1为第一函数符号；
根据公式(4)和公式(1)可知，得到裂纹萌生尺度a1，mm，其中，裂纹萌生尺度a1和试验频率f的关系如下式(5)计算：
Figure BDA0004111257930000065
式中，F2为第二函数符号。
从(5)式可见，裂纹萌生尺度a1和试验频率f存在某种数学关系，且裂纹尺度越长，试验频率越低，这就为通过试验频率衰减量来确定裂纹萌生尺度提供了理论依据。
进一步地，试样裂纹萌生尺度与试验频率衰减量的关系为如下式(6)：
a1＝F3(△f)(6)
式中，a1为裂纹萌生尺度，mm，F3为第三函数符号，其代表的函数，可以通过最小二乘法法回归得到，△f为试验频率衰减量，Hz。
三、疲劳裂纹萌生尺度与试验频率衰减量的标定方法
从以上分析可知，可以通过试验频率的衰减量来预测疲劳裂纹的萌生尺度，相对应的疲劳寿命，就是裂纹萌生寿命。选择一种成分、组织和性能都较为均匀的金属材料，加工一组(如6件)常用的板状或棒状试样。试样加工好后，对其进行编号，分别为0#、1#、2#、3#、4#和5#。其中，0#试样不做处理，1#、2#、3#、4#和5#试样分别进一步人工预制不同尺度的裂纹a1、a2、a3、a4和a5，尺度大小关系为a1＜a2＜a3＜a4＜a5。完成后，确定试验载荷幅等其他相关试验参数，6件试样逐一安装在高频疲劳试验机上开始试验，试验开始时，记录各自稳定后发生共振时的试验频率，分别为f0、f1、f2、f3、f4和f5，按照前面分析，这些试验频率的大小排序为f0＞f1＞f2＞f3＞f4＞f5。这样以来，就可以获得数据组(a1，f0-f1)、(a2，f0-f2)、(a3，f0-f3)、(a4，f0-f4)和(a5，f0-f5)，拟合它们的关系，可以获得试样裂纹萌生尺度和试验频率衰减量的关系，即a＝F3(△f)，F3为第三函数符号，△f为试验频率衰减量。需要说明的是，这种关系和(5)式并不矛盾，因为同样的数据组，可以有多种函数表达。
四、试验程序
⑴确定试验载荷幅。根据试验材料的屈服强度和抗拉强度值，设定一恒定的载荷幅，作为试验控制参数；
⑵确定载荷比和试验参数。根据甲方要求或工程实际，确定载荷比，如-1、0、0.1、0.3、0.5等；其中，所述试验参数包括试验材料的弹性模量、试样尺寸、外加载荷、归一化裂纹尺度、高频疲劳试验机和试样组成系统发生共振时的试验频率、高频疲劳试验机和试样组成的系统刚度、裂纹萌生尺度、柔度系数、作用在试样上的砝码质量、试样宽度。
⑶标定疲劳裂纹萌生尺度与试验频率衰减量的关系。如前所述，进行二者关系的标定；
⑷设置数据采集参数。整个试验过程中，定期采集循环次数、试验频率等数据；
⑸正式试验。将试件安装到高频疲劳试验机上，选择如上确定的恒载荷幅和载荷比，启动试验机，开始试验，直至试样断裂，结束试验；
⑹确定裂纹萌生尺度和萌生寿命。最终断裂的疲劳寿命，为试样的总疲劳寿命。根据采集到的循环次数和试验频率数据，拟合循环次数和试验频率衰减量的关系，结合步骤(3)，便可以确定某一频率衰减量下的裂纹萌生尺度，以及该裂纹萌生尺度对应的疲劳寿命，即疲劳裂纹萌生寿命。
下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
根据本发明提出的一种用频率衰减量推算金属材料疲劳裂纹萌生的试验测量方法，可完成选用金属材料的疲劳裂纹萌生寿命测量。选用试验材料为机械行业常用的铸钢ZG35CrMo，其屈服强度和抗拉强度分别为850MPa和1100MPa。加工成6件哑铃型圆棒平行试样，试样最小位置名义直径为7mm。试样编号分别为0#、1#、2#、3#、4#和5#。其中，1#、2#、3#、4#和5#试样在最小直径位置处依次加工不同尺度的尖锐缺口(裂纹)，分别为0.1mm、0.5mm、1.2mm、2.1mm和3.5mm(当然也可以是别的尺寸)，0#试样不加工缺口。选用41.2％屈服强度350MPa作为最大应力，相应最大载荷为13.47kN，载荷比为0，恒载荷幅值为6.735kN。将1#、2#、3#、4#和5#试样依次安装在100kN的高频疲劳试验机上，发生共振并稳定后，记录每个试样的试验频率，卸下试样。然后将0#试样安装到试验机上，设置数据采集参数，此处仅采集试验频率和循环次数，循环次数每达到1000次，采集一次。采用如上试验参数进行试验，记录初始发生共振时的试验频率，直至试样发生疲劳断裂，试验结束。6件试样的相关数据见表1。
表1 6件试样的相关数据
Figure BDA0004111257930000081
Figure BDA0004111257930000091
为便于观察，将表1中试样的预制裂纹尺度和试验频率衰减量作图，见图1。从图1可见，裂纹萌生尺度越大，试验频率衰减量也越高，二者的分布可以用一元三次递增多项式进行描述。
对于0#试样，采集到的循环次数N(由于数据较多，仅取每隔10000次时的数据)和试验频率衰减量△f数据分布见图2。
从图2可见，随着循环次数的增加，在很大范围内，试验频率几乎没有衰减，表明试验材料的疲劳裂纹萌生寿命较长，当循环次数N约为410000次时，试验频率开始降低，即频率开始衰减，频率衰减量开始增加。为便于观察，将循环后期的循环次数N和试验频率衰减量△f数据提取出来，置于坐标系中，见图3。
从图3清晰可见，当循环次数N约为410000次时，试验频率开始下降，疲劳裂纹开始萌生，随着循环次数的增加，试验频率的衰减量越来越大，裂纹由于扩展尺寸越来越大，最终试样由于截面积减小而无法承受外加载荷作用至断裂，疲劳总寿命为439100次，疲劳裂纹萌生寿命占总寿命的93.4％，和有关资料中介绍的基本一致。
可见，根据本发明提出的一种用频率衰减量推算金属材料疲劳裂纹萌生的试验测量方法，适用于在高频疲劳试验机恒载荷幅模式控制下，通过监测试验频率的衰减量而间接实现疲劳裂纹萌生寿命的测量，确定裂纹萌生尺寸和萌生寿命，可用于工程结构安全可靠性评估与全寿命校核。
虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (10)

1.一种用频率衰减量推算金属材料疲劳裂纹萌生的测量方法，其特征在于，使用高频疲劳试验机，在恒载荷幅控制模式下，确定高频疲劳试验机和试样组成系统发生共振时的试验频率，试样在疲劳裂纹萌生过程中试验频率发生衰减，通过事先建立出试样疲劳裂纹萌生尺度和试验频率衰减量的关系，在试验过程中，通过检测试验频率的衰减量来确定疲劳裂纹的萌生尺度和萌生寿命。
2.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
步骤一：确定试样的恒载荷幅，根据试验材料的屈服强度和抗拉强度值，设定一恒定的载荷幅，作为试验控制参数；
步骤二：根据工程实际需求，确定载荷比；
步骤三：标定疲劳裂纹萌生尺度与试验频率衰减量的关系；
步骤四：设置数据采集参数；所述数据采集参数包括定期采集循环次数、试验频率；
步骤五：正式试验；将试样安装到高频疲劳试验机上，选择步骤一中的恒载荷幅和步骤二中的载荷比，启动试验机，开始试验，直至试样断裂，结束试验；
步骤六：确定裂纹萌生尺度和萌生寿命；根据采集到的循环次数和试验频率数据，拟合循环次数和频率衰减量的关系，再结合步骤三以确定某一试验频率衰减量下的裂纹萌生尺度，以及该裂纹萌生尺度对应的疲劳寿命，即疲劳裂纹萌生寿命。
3.根据权利要求2所述的测量方法，其特征在于，所述步骤三中，包括如下试验方程，高频疲劳试样机和试样组成的系统发生共振时的试验频率按下式(1)计算：
Figure FDA0004111257920000011
式中，f—试验频率，Hz；k—高频疲劳试验机和试样组成的系统刚度，N/m；m—作用在试样上的质量，kg；
根据断裂力学理论和柔度技术测量裂纹尺度的原理，归一化裂纹尺度按下式(2)计算：
Figure FDA0004111257920000021
式中，a/W为归一化裂纹尺度，a为裂纹尺度，W为试样宽度，C0、C1、C2、C3、C4、C5为柔度系数，Ux为无量纲柔度，和试验材料的弹性模量、试样尺寸、外加载荷有关，表达关系如下式(3)计算：
Figure FDA0004111257920000022
式中，B、V为试样尺寸，E为试验材料的弹性模量，P为外加载荷；
根据公式(2)式和公式(3)式可知，得到裂纹萌生尺度a1，其中，裂纹萌生尺度a1和系统的刚度k的表达关系如下式(4)计算：
Figure FDA0004111257920000023
式中，F1为第一函数符号；
根据公式(4)和公式(1)可知，得到裂纹萌生尺度a1，其中，裂纹萌生尺度a1和试验频率f的关系如下式(5)计算：
Figure FDA0004111257920000024
式中，F2为第二函数符号。
4.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，试样疲劳裂纹萌生尺度与试验频率衰减量的关系为如下式(6)：
a1＝F3(△f)(6)
式中，a1为裂纹萌生尺度，F3为第三函数符号，△f为试验频率衰减量。
5.根据权利要求2所述的测量方法，其特征在于，步骤三中，疲劳裂纹萌生尺度与试验频率衰减量的标定方法具体步骤为：
S1：选择一种成分、组织结构和性能都均匀的金属材料，加工成一组试样；
S2：试样加工好后，对其进行编号，分别为0#、1#、2#、3#、4#、5#、...n#；其中，0#试样不做处理，1#、2#、3#、4#和5#...n#试样分别进一步人工预制不同尺度的裂纹a1、a2、a3、a4和a5...an，尺度大小关系为a1＜a2＜a3＜a4＜a5...＜an；
S3：不同尺度的裂纹完成后，确定试验载荷幅、载荷比的试验参数，将试样逐一安装在高频疲劳试验机上开始试验，试验开始时，记录各自稳定后的试验频率，分别为f0、f1、f2、f3、f4、f5...fn，按照前面分析，这些频率的大小排序为f0＞f1＞f2＞f3＞f4＞f5＞...＞fn，这样以来，就可以获得数据组(a1，f0-f1)、(a2，f0-f2)、(a3，f0-f3)、(a4，f0-f4)和(a5，f0-f5)...(an，f0-fn)；
S4：拟合数据组(a1，f0-f1)、(a2，f0-f2)、(a3，f0-f3)、(a4，f0-f4)和(a5，f0-f5)...(an，f0-fn)的关系，获得试验材料裂纹萌生尺度和试验频率衰减量的关系。
6.根据权利要求2所述的测量方法，其特征在于，所述循环次数每达到500～2000次，采集一次。
7.根据权利要求2所述的测量方法，其特征在于，所述载荷比为-1、0、0.1、0.3、0.5。
8.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述试样为板状或棒状的一种。
9.根据权利要求8所述的测量方法，其特征在于，所述试样为棒状，所述棒状为哑铃型圆棒。
10.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述裂纹萌生尺度与试验频率衰减量的关系式为一元三次递增多项式。
CN202310206909.1A 2023-03-06 2023-03-06 一种用频率衰减量推算金属材料疲劳裂纹萌生的测量方法 Pending CN116341216A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202310206909.1A CN116341216A (zh) 2023-03-06 2023-03-06 一种用频率衰减量推算金属材料疲劳裂纹萌生的测量方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202310206909.1A CN116341216A (zh) 2023-03-06 2023-03-06 一种用频率衰减量推算金属材料疲劳裂纹萌生的测量方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN116341216A true CN116341216A (zh) 2023-06-27

Family

ID=86876770

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202310206909.1A Pending CN116341216A (zh) 2023-03-06 2023-03-06 一种用频率衰减量推算金属材料疲劳裂纹萌生的测量方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN116341216A (zh)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117935997A (zh) * 2024-03-25 2024-04-26 洛阳船舶材料研究所(中国船舶集团有限公司第七二五研究所) 一种金属材料疲劳裂纹尖端塑性区的动态测量方法
CN117954022A (zh) * 2024-03-25 2024-04-30 洛阳船舶材料研究所(中国船舶集团有限公司第七二五研究所) 一种金属材料在弹塑性条件下疲劳裂纹扩展速率的估算方法

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117935997A (zh) * 2024-03-25 2024-04-26 洛阳船舶材料研究所(中国船舶集团有限公司第七二五研究所) 一种金属材料疲劳裂纹尖端塑性区的动态测量方法
CN117954022A (zh) * 2024-03-25 2024-04-30 洛阳船舶材料研究所(中国船舶集团有限公司第七二五研究所) 一种金属材料在弹塑性条件下疲劳裂纹扩展速率的估算方法
CN117935997B (zh) * 2024-03-25 2024-06-07 洛阳船舶材料研究所(中国船舶集团有限公司第七二五研究所) 一种金属材料疲劳裂纹尖端塑性区的动态测量方法
CN117954022B (zh) * 2024-03-25 2024-06-07 洛阳船舶材料研究所(中国船舶集团有限公司第七二五研究所) 一种金属材料在弹塑性条件下疲劳裂纹扩展速率的估算方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN116341216A (zh) 一种用频率衰减量推算金属材料疲劳裂纹萌生的测量方法
JP6573828B2 (ja) 高周波での疲労亀裂の非伝播しきい値を決定する方法
CN108489808B (zh) 一种声发射测试混凝土单轴受拉应力应变关系的方法
CN109283247A (zh) 材料微裂纹扩展尺寸的超声无损检测方法
CN105043865A (zh) 双场耦合下的混凝土损伤断裂性能测试方法
Khalij et al. Fatigue curves of a low carbon steel obtained from vibration experiments with an electrodynamic shaker
CN103868808B (zh) 一种冷拔高强钢丝裂纹扩展速率的简易检测方法
CN112781812A (zh) 隔膜压缩机金属膜片疲劳测试方法
JP5760244B2 (ja) 低サイクル疲労き裂進展評価方法
JP3606086B2 (ja) 構造体コンクリートの強度推定方法
CN113029835B (zh) 一种锅炉特殊焊接结构疲劳裂纹萌生的试验测量方法
CN106769561B (zh) 一种温度载荷作用下空心传动轴力学参数无损检测方法
RU2146818C1 (ru) Способ определения характеристик напряженно-деформированного состояния конструкционных материалов
Kubojima et al. Young’s modulus obtained by flexural vibration test of a wooden beam with inhomogeneity of density
US5767415A (en) Method for non-destructive determination of fatigue limits and fracture toughness in components of various shapes
Noordhoek et al. omparison of the acpd method of in-depth fatigue crack growth monitoring with the crack front marking technique
CN111537621A (zh) 一种超声波检测螺栓应力的装置及检测方法
Mazal et al. Advanced acoustic emission signal treatment in the area of mechanical cyclic loading
CN218938029U (zh) 一种基于振动台悬臂梁多试样弯曲疲劳试验系统
Khaled et al. Modelling of the influence of tensile test speed on the fracture load
RU2221231C2 (ru) Способ определения остаточного ресурса металла магистрального трубопровода
Socha Fatigue damage indicators based on plastic deformation
Aggelis et al. Acoustic emission for fatigue damage monitoring in cross-welded aluminum plates
CN110455624A (zh) 一种测试金属材料本构关系的方法
KR20010057930A (ko) 음향방출법을 이용한 열피로 파단수명 예측장치 및 그 방법

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination