CN117935997B - 一种金属材料疲劳裂纹尖端塑性区的动态测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种金属材料疲劳裂纹尖端塑性区的动态测量方法，包括如下步骤：S1：选择一组试样中的1件，进行da/dN试验，建立r 0和V的数学关系；S2：编制计算程序，根据V值实时动态观察r 0值的变化；S3：继续进行其它试样的da/dN试验，试验过程中连续监测试样裂纹嘴处张开位移变化量V，同时启动步骤S2所编制的程序，塑性区尺寸和裂纹长度之比达到预设值时停止试验；S4：根据所获得的试验数据，按照Paris公式拟合形式，得到da/dN和△K的有效方程。本发明操作简单，避免试验结束后再去进行大量数据计算和评估，节约试验成本和试验时间，提高试验效率，为工程结构设计提供安全支撑。

Description

一种金属材料疲劳裂纹尖端塑性区的动态测量方法
技术领域
本发明涉及金属材料疲劳试验方法技术领域，特别涉及一种金属材料疲劳裂纹尖端塑性区的动态测量方法。
背景技术
在工程结构的损伤容限设计中，经常用到金属材料疲劳裂纹扩展速率da/dN和裂纹尖端应力强度因子范围△K的表达式。依据现有的GB/T6398-2017《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》等试验标准，可以获得系列（da/dN，△K ）数据，da/dN 和△K 的表达式通常用Paris公式拟合得到。
作为疲劳裂纹扩展的驱动参量，△K 是个表征裂纹尖端应力场强度的一个物理量，适用于描述裂纹尖端附近满足线弹性或小范围屈服的力学状态。所谓小范围屈服的定义，有文献指出，是指裂纹尖端的塑性区尺寸与裂纹长度相比不超过10%，也就是说，在整个疲劳裂纹扩展的过程中，裂纹尖端的塑性区不能过大。然而，事实上，在疲劳裂纹扩展速率da/dN 试验中，随着裂纹长度的不断增加，裂纹尖端的塑性区也越来越大，以至于在裂纹扩展后期，裂纹尖端通常已不满足小范围屈服条件，以上提及的标准中并未说明这个问题。
正常继续试验至结束，所获得的试验数据拟合得到的Paris公式在工程设计应用时会带来安全风险。通常的做法是试验获得的所有△K 数据不做甄别处理，直接按照Paris公式形式进行幂律关系拟合；或者即使逐一计算△K 数据，也是在所有试样试验完成后，通过大量的计算，筛选出不满足线弹性或者小范围屈服的△K 数据。未见有现有技术公开的文献或者专利中提及相关较好的处理方法。
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尖端塑性区的动态测量方法，以解决现有技术中通过Paris公式拟合得到的da/dN 和△K 的表达式在工程设计应用时会带来安全风险的问题。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种金属材料疲劳裂纹尖端塑性区的动态测量方法，包括如下步骤：
S1：选择一组试样中的1件，进行疲劳裂纹扩展速率da/dN 试验，建立裂纹尖端塑性区尺寸r 0和试样裂纹嘴处张开位移变化量V 的关系；
S2：编制计算程序，根据宏观可测量、可实时显示的V 值，实现实时动态观察r 0值的变化；
S3：继续进行其它试样的da/dN 试验，试验过程中连续监测试样裂纹嘴处张开位移变化量V，同时启动步骤S2所编制的程序，实时动态监测r 0值的变化，塑性区尺寸和裂纹长度之比达到预设值Q时停止试验；
S4：根据所获得的试验数据，按照Paris公式拟合形式，得到da/dN 和△K 的有效方程。
进一步地，在步骤S1中，包括如下步骤：
S11：选择一组试样中的1件，设置试验参数和数据采集方式，进行da/dN试验，直至试样断裂，其中，试验参数包括载荷幅、试验频率、应力比、试验环境等；
S12：根据所获得的试验数据，计算相应周次下裂纹尖端塑性区尺寸r 0值；
S13：计算系列r 0与裂纹长度a的比值r 0 /a；
S14：根据以上计算的不同周次下的r 0 /a 值，以及相应周次下采集到的裂纹嘴处张开位移的变化量V 值，拟合V 和 r 0 /a 的数学关系：
其中，V=V max-V min，V max为裂纹嘴处张开最大位移，V min为裂纹嘴处张开最小位移，V max、V min为在试验中采集获得；
S15：确定试样裂纹嘴处张开位移变化量的临界值V c ；
S16：根据步骤S12中计算的r 0值和步骤S14中计算的V 值，建立r 0 和 V 的数学关系。
进一步地，在疲劳裂纹扩展速率da/dN 试验中，试样采用三点弯曲SEB形式，在步骤S12中，试样裂纹尖端处于平面应力状态时，根据式（1）计算裂纹尖端的塑性区尺寸：
（1）
式中，r 0—裂纹尖端塑性区尺寸，mm；K—裂纹尖端应力强度因子，MPa·m0.5；R p0.2—材料的屈服强度，MPa；
对于SEB试样，K 的表达式为：
（2）
式中，Y—无量纲形状因子，和试样形状有关；σ—外加应力，MPa；a—裂纹长度，mm；
SEB试样的形状因子Y 为：
（3）
式中，a 为裂纹长度，mm；W 为试样宽度，mm；β=a/W 为归一化裂纹长度，无量纲。
进一步地，在步骤S13中，不同循环周次下的疲劳裂纹长度根据柔度法测量，归一化裂纹长度表达为：
（5）
式中，a/W 为归一化裂纹长度，C 0、C 1、C 2、C 3、C 4、C 5 为柔度系数，U x为无量纲柔度，U x和试验材料的弹性模量、试样尺寸、试验载荷有关，表达如下：
（6）
式中，B 为试样厚度，mm；V r 为试样裂纹嘴处张开位移，mm；E 为材料的弹性模量，MPa；P 为试验载荷，N。
进一步地，在步骤S15中，根据拟合的r 0 /a 和V 的数学关系，当r 0 /a 等于预设值Q时，计算相应试样裂纹嘴处张开位移量的临界值V c 。
进一步地，预设值Q的取值范围为Q≤10%。
进一步地，预设值Q的取值范围5%≤Q≤10%。
进一步地，在步骤S16中，根据获得不同循环次数下系列的r 0值和V 值，采用最小二乘法拟合r 0和V 的数学关系。
相对于现有技术，本发明所述的金属材料疲劳裂纹尖端塑性区的动态测量方法具有以下优势：
（1）本发明所述的金属材料疲劳裂纹尖端塑性区的动态测量方法，利用事先建立的裂纹嘴张开位移变化量这一宏观可测量、可显示物理量和裂纹尖端塑性区尺寸的关系，预测当裂纹尖端塑性区尺寸不满足小范围屈服条件时就停下试验，确保Paris公式拟合的数据条件，从而为工程结构设计提供安全支撑，同时也节约试验成本和试验时间，提高试验效率。
（2）本发明所述的金属材料疲劳裂纹尖端塑性区的动态测量方法，通过任意选一件试样进行疲劳裂纹扩展速率da/dN 试验，在试验中采集相关的试验数据建立r 0和V 的数学关系，然后其它试样即可参考第一件试样的r 0和V 的关系，编制计算程序；当da/dN 试验软件运行时，同时运行计算程序，就可实现实时动态测量和显示r 0，当r 0/a达到预设值Q时就终止试验，保存相关数据，处理裂纹尖端满足线弹性和小范围屈服力学状态的数据，用Paris公式形式，拟合满足要求的da/dN 和△K 的方程，操作简单，避免试验结束后再去进行大量数据计算和评估，节约试验成本和试验时间，提高试验效率，为工程结构设计提供安全支撑。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例中1#试样V 和r 0 /a的数学关系曲线图；
图2为本发明实施例中1#试样r 0 和V 的数学关系曲线图；
图3为本发明实施例中2#试样V 和r 0 /a 的数学关系曲线图；
图4为本发明实施例中2#试样r 0 和V 的数学关系曲线图；
图5为本发明实施例中3#试样V 和r 0 /a 的数学关系曲线图；
图6为本发明实施例中3#试样r 0 和V 的数学关系曲线图。
具体实施方式
为了使本发明的技术手段及达到目的与功效易于理解，下面结合具体图示对本发明的实施例进行详细说明。
需要说明，本发明中所有进行方向性和位置性指示的术语，诸如：“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、 “内”、“外”、“顶”、“低”、“横向”、“纵向”、“中心”等，仅用于解释在某一特定状态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、连接情况等，仅为了便于描述本发明，而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。另外，在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。
在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
在疲劳裂纹扩展速率da/dN 试验中，随着裂纹长度的不断增加，裂纹尖端的塑性区尺寸也越来越大，以至于在裂纹扩展后期裂纹尖端通常已不满足小范围屈服条件，所获得的试验数据拟合得到的Paris公式在工程设计应用时会带来安全风险。如果想避免这个问题，需要等试验结束以后，通过大量的计算，剔除较大裂纹尖端塑性区尺寸所对应的相关数据（一件试样通常有数千条数据），这样做工作量非常大。
本发明公开了一种金属材料疲劳裂纹尖端塑性区的动态测量方法，包括如下步骤：
S1：选择一组试样中的1件，进行疲劳裂纹扩展速率da/dN 试验，建立裂纹尖端塑性区尺寸r 0 和试样裂纹嘴处张开位移变化量V 的关系；
S2：编制计算程序，根据宏观可测量、可实时显示的V 值，实现实时动态观察r 0值的变化；
S3：继续进行其它试样的da/dN 试验，试验过程中连续监测试样裂纹嘴处张开位移变化量V，同时启动步骤S2所编制的程序，实时动态监测r 0值的变化，塑性区尺寸和裂纹长度之比达到预设值时停止试验；
S4：根据所获得的试验数据，按照Paris公式拟合形式，得到da/dN 和△K 的有效方程。
由于直接测量裂纹尖端塑性区尺寸存在较大困难，如果能事先建立某个易于测量的物理量和裂纹尖端塑性区尺寸的数学关系，就能够通过测量这个便于测量的物理量，实现裂纹尖端塑性区尺寸时实时动态测量的目的，当塑性区尺寸和裂纹长度之比达到预设值（例如10%）时就停止试验，不仅可以避免后续繁杂的数据处理，同时由于提前结束试验，也可节约试验成本和时间，提高试验效率。
基于此，本申请公开的金属材料疲劳裂纹尖端塑性区的动态测量方法，创造性的利用事先建立的裂纹嘴张开位移变化量这一宏观可测量、可显示物理量和裂纹尖端塑性区尺寸的关系，预测当裂纹尖端塑性区尺寸不满足小范围屈服条件时就停下试验，确保Paris公式拟合的数据条件，从而为工程结构设计提供安全支撑，同时也节约试验成本和试验时间，提高试验效率。
作为本申请的较佳示例，在疲劳裂纹扩展速率da/dN 试验中，试样采用三点弯曲SEB形式，试样裂纹尖端处于平面应力状态时，其裂纹尖端的塑性区尺寸为：
（1）
式中，r 0—裂纹尖端塑性区尺寸，mm；K—裂纹尖端应力强度因子，MPa·m0.5；R p0.2—材料的屈服强度，MPa；
对于SEB试样，K的表达式为：
（2）
式中，Y—无量纲形状因子，和试样形状有关；σ—外加应力，MPa；a—裂纹长度，mm；
SEB试样的形状因子Y为：
（3）
式中，a 为裂纹长度，mm；W 为试样宽度，mm；β=a/W 为归一化裂纹长度，无量纲。
在疲劳裂纹扩展速率da/dN 试验中，要求试样的厚度满足平面应力状态，试样多采用三点弯曲SEB形式，当试样裂纹尖端处于平面应力状态时，根据给定的公式（1），裂纹尖端的塑性区尺寸r 0被计算，这个塑性区尺寸是描述裂纹尖端塑性区域大小的一个参数，为了计算裂纹尖端应力强度因子K，使用了SEB试样的应力强度因子表达式（2），该表达式中的各项参数包括外加应力σ、裂纹长度a 和无量纲形状因子Y，裂纹尖端应力强度因子是一个关键的力学参数，用于描述裂纹尖端附近的应力场，无量纲形状因子Y 的计算涉及裂纹长度a 和试样宽度W，根据给定的公式（3），无量纲形状因子Y 被计算，其中β=a/W 表示归一化裂纹长度，无量纲形状因子考虑了试样的几何形状对应力强度因子的影响。通过公式（1）计算裂纹尖端的塑性区尺寸，能够获得一个定量描述裂纹尖端塑性变形区域大小的参数，有助于更准确地理解裂纹扩展过程中的塑性行为，裂纹尖端应力强度因子作为评估裂纹尖端应力状态的重要参数，对于疲劳裂纹扩展速率的理解至关重要，使用SEB试样的应力强度因子表达式（2）计算，可以得到裂纹尖端的应力强度因子，对于疲劳裂纹扩展速率的理解至关重要，考虑无量纲形状因子Y，可以更精确地考虑试样几何形状对应力强度因子的影响，有助于在实际试验中更好地模拟裂纹尖端的应力场，通过将裂纹尖端塑性区尺寸和裂纹尖端应力强度因子计算结合，可以得到一个更全面的裂纹尖端行为的描述方法。
从（1）式和（2）式可知：
（4）
从（3）式和（4）式可知，裂纹尖端塑性区尺寸r 0是和裂纹长度a 有直接关系的参量。
在整个da/dN 试验过程中，疲劳裂纹长度根据柔度技术测量，归一化裂纹长度表达为：
（5）
式中，a/W 为归一化裂纹长度，C 0、C 1、C 2、C 3、C 4、C 5为柔度系数（常数），U x为无量纲柔度，和试验材料的弹性模量、试样尺寸、试验载荷等有关，表达如下：
（6）
式中，B 为试样厚度，mm；V r 为试样裂纹嘴处张开位移，mm；E 为材料的弹性模量，MPa；P 为试验载荷，N。
（5）式和（6）式是柔度法测量裂纹长度的原理公式，表明裂纹长度是通过一些可测量的物理量，通过复杂的计算获得的。同时，从这两个公式可见，裂纹长度 a 和试样裂纹嘴处的位移变化量 V 存在某种数学关系。因此，有：
（7）
式中，F 为函数符号，不具有物理意义；V 为试样裂纹嘴处张开位移变化量，即最大位移V max与最小位移V min的差值V=V max-V min，mm。
该设置通过考虑裂纹尖端的塑性区尺寸和应力强度因子，结合无量纲形状因子，提供了更全面、准确地描述裂纹扩展行为的工具，从（7）式可见，如果能通过一件试样，建立裂纹尖端塑性区尺寸r 0和试样裂纹嘴处张开位移变化量V 的关系，而V 是可以通过夹式引伸计实时动态测量的，同实时组中的其它试样，就可以应用这种关系，从而实现裂纹尖端塑性区尺寸r 0的动态测量，这就为本发明改进金属材料疲劳裂纹尖端塑性区的动态测量方法提供了理论基础。
作为本申请的较佳示例，在步骤S1中，包括如下步骤：
S11：选择一组试样中的1件，设置试验参数和数据采集方式，进行da/dN试验，直至试样断裂，其中，试验参数包括载荷幅、试验频率、应力比、试验环境等；
S12：根据所获得的试验数据，按照公式(1)，计算相应周次下裂纹尖端塑性区尺寸r 0值；
S13：计算系列r 0 与裂纹长度 a 的比值r 0 /a；
S14：根据以上计算的不同周次下的r 0 /a 值，以及相应周次下采集到的裂纹嘴处张开位移的变化量V 值，拟合V 和r 0 /a 的数学关系：
其中，V=V max-V min，V max为裂纹嘴处张开最大位移，V min为裂纹嘴处张开最小位移，V max、V min为在试验中采集获得；
S15：确定试样裂纹嘴处张开位移变化量的临界值V c ；
S16：根据步骤S12中计算的r 0值和步骤S14中计算的V 值，建立r 0和V 的数学关系。
上述步骤公开了一种根据一件试样进行da/dN 试验建立r 0和 V 的数学关系的具体步骤，提供了对裂纹尖端塑性区尺寸和裂纹嘴处张开位移关系的数学模型，通过确定试样裂纹嘴处张开位移变化量的临界值，可以在裂纹尖端塑性区过大之前提前结束试验，确保裂纹尖端不会进入过大的塑性区，避免安全风险。
作为本申请的较佳示例，在步骤S11中，在疲劳裂纹扩展速率da/dN 试验中，试样采用三点弯曲SEB形式。
采用SEB试样形式的效果在于更好地模拟实际工程结构中的裂纹扩展情况，提供更准确的试验数据，有助于对金属材料疲劳裂纹扩展行为的理解和研究。
作为本申请的较佳示例，在步骤S12中，试样裂纹尖端处于平面应力状态时，根据式（1）计算裂纹尖端的塑性区尺寸：
（1）
式中，r 0—裂纹尖端塑性区尺寸，mm；K—裂纹尖端应力强度因子，MPa·m0.5；R p0.2—材料的屈服强度，MPa；
对于SEB试样，K的表达式为：
（2）
式中，Y—无量纲形状因子，和试样形状有关；σ—外加应力，MPa；a—裂纹长度，mm；
SEB试样的形状因子Y 为：
（3）
式中，a 为裂纹长度，mm；W 为试样宽度，mm；β=a/W 为归一化裂纹长度，无量纲。
上述设置有助于在SEB试样中理解裂纹尖端的力学状态，尤其是在考虑裂纹尖端的平面应力状态，提供了一种描述裂纹尖端塑性区的尺寸以及裂纹尖端应力强度的工具，并且通过考虑裂纹尖端的塑性区尺寸和应力强度因子，结合无量纲形状因子，保证该描述裂纹扩展行为的工具更加全面、准确。
作为本申请的较佳示例，在步骤S13中，不同循环周次下的疲劳裂纹长度根据柔度法测量，归一化裂纹长度表达为：
（5）
式中，a/W 为归一化裂纹长度，C 0、C 1、C 2、C 3、C 4、C 5为柔度系数（常数），U x为无量纲柔度，U x和试验材料的弹性模量、试样尺寸、试验载荷有关，表达如下：
（6）
式中，B 为试样厚度，mm；V r 为试样裂纹嘴处张开位移，mm；E 为材料的弹性模量，MPa；P 为试验载荷，N。
通过柔度法引入的归一化裂纹长度和相应的参数，使得疲劳裂纹长度的测量更为全面、综合和实用，为后续的数据分析和建模提供了更为准确的基础。
作为本申请的较佳示例，在步骤S15中，根据拟合的V 和r 0 /a 的数学关系，当r 0 /a等于预设值Q时，计算相应试样裂纹嘴处张开位移量的临界值V c 。
通过该设置实现了对裂纹尖端塑性区尺寸的动态控制，确保试验中裂纹尖端的塑性区尺寸在合理的范围内，符合小范围屈服的条件，减少后续数据处理的工作量，从而更好地满足工程设计的安全性和可靠性要求。
作为本申请的较佳示例，预设值Q的取值范围为Q≤10%。作为优选，预设值Q的取值范围5%≤Q≤10%。
通过上述设置，有助于确保试验得到的数据更符合小范围屈服的条件，使得试验能够更及时地停止，确保试验的结果更加准确和可靠。
作为本申请的较佳示例，在步骤S16中，根据获得不同循环次数下系列的r 0值和V值，采用最小二乘法拟合r 0和 V 的数学关系。该设置有助于优化数学模型，提高拟合精度，确保数学模型更好地反映了试验数据的特征，使得预测结果更为准确，减小拟合误差，以及提高试验方法的可行性和适用性。
本申请公开的金属材料疲劳裂纹尖端塑性区的动态测量方法，根据理论分析可知，裂纹尖端塑性区尺寸r 0和试样裂纹嘴处张开位移变化量V 存在某种数学关系，通过在一组（通常选3件试样）da/dN 试验中，任意选一件试样，采集相关的试验数据，通过最优拟合法建立r 0和V 的数学关系。因所有试样均是平行试样，即各试样具有相同的试样尺寸和各项性能，其它试样即可参考第一件试样的r 0和V 的关系，编制计算程序。当da/dN 试验软件运行时，同时运行计算程序，就可实现实时动态测量和显示r 0，当r 0/a 达到10%时就终止试验，保存相关数据，处理裂纹尖端满足线弹性和小范围屈服力学状态的数据，用Paris公式形式，拟合满足要求的da/dN 和△K 的方程，用于工程设计应用，操作简单，避免试验结束后再去进行大量数据计算和评估，节约试验成本和试验时间，提高试验效率，为工程结构设计提供安全支撑。
具体实施例
以17Cr16Ni2不锈钢作为试验材料，加工3件SEB试样。其中，1#试样用于建立V 和r 0 /a 以及r 0和 V 的数学关系，根据这种数学关系，求解出当r 0 /a 等于10%时对应的V c 值。2#试样和3#试样按照本发明的程序，进行da/dN 试验，验证本发明所提方法的效果。
当两件试样的V 值达到从1#试样求解得到的V c 值时，终止试验。对比分析试验终止时2#试样和3#试样接近小范围屈服力学状态的程度。
da/dN试验依据GB/T6398-2017《金属材料疲劳试验疲劳裂纹扩展方法》，在MTS810-100kN 电液伺服材料试验机上进行。先采用降K 法预制一段疲劳裂纹，消除缺口对疲劳裂纹扩展的影响，然后采用恒载荷幅△P=5.4kN（P max=6.0kN，P min=0.6kN）控制，载荷比为0.1，试验频率为10Hz，正弦波形。采用精度为0.001mm的夹式位移传感器，通过柔度技术测量裂纹长度，其测量原理见式(5)和式(6)。
1#试样V 和r 0 /a 及r 0和V 的数学关系曲线图分别见图1和图2。
从图1可见，当r 0 /a=10%时，对应的裂纹嘴处张开位移变化量临界值V c =0.32mm，相应的裂纹尖端塑性区尺寸r 0为1.702mm，见图2。也就是说，当r 0 /a＞10%时，对应的裂纹嘴处位移变化量也会增加，但由于裂纹尖端塑性区过大，已不满足小范围屈服状态，因此，此时停止试验。
根据1#试样的试验结果，2#和3#试样试验无须再做到最后。只需做到当裂纹嘴处位移变化量达到临界值V c =0.32mm时即结束试验。观察2#和3#试样的裂纹尖端塑性区是否满足小范围屈服的条件，以验证本发明的可接受性。
2#试样和3#试样的V 和r 0 /a 及r 0和V 的数学关系曲线图分别见图3～图6。
从图3和图5可见，当裂纹嘴处位移变化量达到临界值V c =0.32mm时，相应的r 0 /a 分别为9.72%和10.22%，和要求值10%的误差分别为2.8%和2.2%；从图4和图6可见，相应的r 0分别为1.679mm和1.777mm，和1#试样中的r 0相比的误差分别为1.35%和4.41%，为便于对比观察，将以上数据列于表1中。
表1 3件试样的对比数据
从表1数据可见，根据本发明提出的一种金属材料疲劳裂纹尖端塑性区的动态测量方法，从一组试样中拿出1件试样，按照本发明所述的方法，事先建立r 0和V 的数学关系，通过观察用于测量试样裂纹嘴处位移变化量的位移传感器直观显示值，就可以动态获得裂纹尖端塑性区r 0的数据，并比较r 0 /a 是否等于10%，等于10%时试验即可停止。这种发明方法因平行试样本身的差异所导致的r 0 /a 和r 0的测量误差，均不超过5%，可用于裂纹尖端塑性区r 0的实时动态监测。
而且，由于本发明方法提前结束试验，也明显会减少后续不必要的数据处理麻烦，同时还可以节约试验成本，提高试验效率。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种金属材料疲劳裂纹尖端塑性区的动态测量方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：选择一组试样中的1件，进行疲劳裂纹扩展速率da/dN 试验，建立裂纹尖端塑性区尺寸r 0和试样裂纹嘴处张开位移变化量V 的关系；
其中，在步骤S1中，包括如下步骤：
S11：选择一组试样中的1件，设置试验参数和数据采集方式，直至试样断裂，其中，试验参数包括载荷幅、试验频率、应力比、试验环境；
S12：根据所获得的试验数据，计算相应周次下裂纹尖端塑性区尺寸r 0值；在疲劳裂纹扩展速率da/dN 试验中，试样采用三点弯曲SEB形式，在步骤S12中，试样裂纹尖端处于平面应力状态时，根据式（1）计算裂纹尖端的塑性区尺寸：
（1）
式中，r 0—裂纹尖端塑性区尺寸，mm；K—裂纹尖端应力强度因子，MPa·m0.5；R p0.2—材料的屈服强度，MPa；
对于SEB试样，K 的表达式为：
（2）
式中，Y—无量纲形状因子，和试样形状有关；σ—外加应力，MPa；a—裂纹长度，mm；
SEB试样的形状因子Y 为：
（3）
式中，a 为裂纹长度，mm；W 为试样宽度，mm；β=a/W 为归一化裂纹长度，无量纲；
S13：计算裂纹尖端塑性区尺寸r 0与裂纹长度a 的比值r 0 /a：（4）
不同循环周次下的疲劳裂纹长度根据柔度法测量，归一化裂纹长度表达如下：
（5）
式中，a/W 为归一化裂纹长度，C 0、C 1、C 2、C 3、C 4、C 5为柔度系数，U x为无量纲柔度，U x和试验材料的弹性模量、试样尺寸、试验载荷有关，表达如下：
（6）
式中，B为试样厚度，mm；V r 为试样裂纹嘴处张开位移，mm；E为材料的弹性模量，MPa；P为试验载荷，N；
S14：根据以上计算的不同周次下的r 0 /a 值，以及相应周次下采集到的裂纹嘴处张开位移的变化量V 值，拟合V 和 r 0 /a 的数学关系；
其中，V=V max-V min，V max为裂纹嘴处张开最大位移，V min为裂纹嘴处张开最小位移，V max、V min为在试验中采集获得；
S15：确定试样裂纹嘴处张开位移变化量的临界值V c ；
S16：根据步骤S12中计算的r 0值和步骤S14中计算的V 值，依据获得不同循环次数下系列的r 0值和V 值，采用最小二乘法拟合r 0 和V 的数学关系，建立裂纹尖端塑性区尺寸r 0和试样裂纹嘴处张开位移变化量V 的关系；
S2：编制计算程序，根据宏观可测量、可实时显示的V 值，实现实时动态观察r 0值的变化；
S3：继续进行其它试样的da/dN 试验，试验过程中连续监测试样裂纹嘴处张开位移变化量V，同时启动步骤S2所编制的程序，实时动态监测r 0值的变化，塑性区尺寸和裂纹长度之比达到预设值Q时停止试验；
S4：根据所获得的试验数据，按照Paris公式拟合形式，得到da/dN 和△K 的有效方程。
2.根据权利要求1所述的金属材料疲劳裂纹尖端塑性区的动态测量方法，其特征在于，在步骤S15中，根据拟合的V 和r 0 /a 的数学关系，当r 0 /a 等于预设值Q时，计算相应试样裂纹嘴处张开位移量的临界值V c 。
3.根据权利要求2所述的金属材料疲劳裂纹尖端塑性区的动态测量方法，其特征在于，预设值Q为Q≤10%。
4.根据权利要求2所述的金属材料疲劳裂纹尖端塑性区的动态测量方法，其特征在于，预设值Q的取值范围5%≤Q≤10%。
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