HB7680-2000金属材料高温疲劳裂纹扩展速率试验方法.pdf 29页

'中华人民共和国航空工业标准HB7680一2000金属材料高温疲劳裂纹扩展速率试验方法2000一09一20发布2001一01一01实施中国航空工业总公司批准 HB7680一2000.JJ认.曰‘.月U青本标准是基于北京航空材料研究院自70年代以来，应用各种电位法测量高温疲劳裂纹扩展速率的研究结果，并参考了ASTME647一95a中的电位法和《SmallCrackTestMethod)ASTMSTP1149中的小裂纹试验方法制定的。本标准的试样几何形状与尺寸、夹具几何形状与尺寸、试样的应力强度因子表达式及da/dN的数据处理与上述标准有所不同。本标准的附录A、附录B都是提示的附录。本标准由中国航空工业总公司航空材料热工艺标准化技术归口单位提出并归口。本标准由中国航空工业总公司航空材料研究院负责，沈阳黎明发动机制造公司参加起草。本标准主要起草人:刘绍伦、马书盛、黄宏发、纪艳玲、张志顺、何玉怀、沈莉莉。 中华人民共和国航空工业标准金属材料高温疲劳裂纹扩展速率BB7680一2000试验方法范围本标准规定了测定金属材料高温疲劳裂纹扩展速率的试样、试验设备、试验程序和试验结果处理。本标准适用于高温(1200℃以下)空气环境条件下用紧凑拉伸(CT)试样或单边缺口拉伸(SENT)试样测定金属材料恒幅载荷、单峰过载及循环保持载荷作用下长裂纹与小裂纹的疲劳扩展速率。本标准可采用标准规定以外的试样，但必须有适用的应力强度因子表达式。2引用标准下列标准所包含的条文，通过在本标准中引用而构成为本标准的条文。本标准出版时，所示版本均为有效。所有标准都会被修订，使用本标准的各方应探讨使用下列标准最新版本的可能性。GB/T4146一1984金属材料平面应变断裂韧度K,试验方法GB/T6398一1986金属材料疲劳裂纹扩展速率试验方法GB/T10623一1989金属力学性能试验术语。HB5151一%金属高温拉伸蠕变试验方法JJG141-88工作用铂锗10一铂及铂佬13一铂热电偶检定规程JJG351一%工作用廉金属热电偶检定规程3符号、术语及定义3.1符号本标准所用主要符号、术语及单位见表1.国防科学技术工业委员会2000-09-20发布2001一01一01实施1 BB7680一2000表1符号术语单位da/dN疲劳裂纹扩展速率mm/cycle口计算裂纹长度I11口1an试样切口长度trimN循环数cycleP_最大载荷kN尸.最小载荷kN乙尸载荷范围kN尸1-预制疲劳裂纹最大载荷kNK应力强度因子MPaK-最大应力强度因子MPaKim.最小应力强度因子MPa乙K应力强度因子范围NIP.,/而R载荷比B试样厚度mmBN试样侧槽净厚度ill刀W试样宽度mm3.2定义3.2.1长裂纹:通常是指在线弹性断裂力学范围内，裂纹尖端塑性区尺寸与裂纹尺寸相比甚小的裂纹。3.2.2小裂纹:当裂纹物理尺寸，如表面裂纹的长度和深度，与相关的微结构尺寸、连接力学尺寸相比很小时，称该裂纹为小裂纹。小裂纹的物理尺寸上限随其所在的材料、裂纹几何形状或所受载荷而变化。当只有一个物理尺寸(如穿透裂纹的长度)很小时，称该裂纹为短裂纹。注:本标准中采用的其它术语见GB/C106230试样试样形状与尺寸本标准要求试样平面尺寸在试验载荷下应保持弹性优势，厚度足以防止屈曲，在此前提下 HB7680一2000试样厚度与强度不受限制。标准CI，试样如图1所示。单边缺口拉伸(SENT)试样如图2所示。试样应满足如下要求:对于(;T试样:拉一拉加载，推荐试样宽度w为20--40m，采用单销加载。试验厚度B为w/10一W/4。对于单边缺口拉伸(SENT)试样:用螺纹连接，拉一压或拉一拉加载，推荐试样宽度w为12一18m。推荐试样长度L为70一130m,厚度B为W/4一W/2。其最小厚度要能避免压缩屈曲。高宽比2H/W=4。螺纹长度L。为15--20mo对C「试样和SENT试样，如在零件上取样，试样厚度不受上述范围限制，但尽可能采用小尺寸试样。为保证裂纹在垂直于载荷方向上扩展，可以在螺纹面两侧开侧槽，见图1(b).4.2试样切口4.2.1切口长度CI，试样和SENT试样的切口长度a=应不小于0.2wo4.2.2切口制备试样切口可通过铣切、线切割和其他方法加工而成。图3中给出了各种不同的切口几何形状。为便于预制出合格的疲劳裂纹，建议在热处理后进行线切割加工，切口根部曲率半径P小于或等于0.08m(在预制出合格的疲劳裂纹的前提下曲率半径P可以稍大些);铣切的山形切口及其他加工的切口形状根部曲率半径P小于或等于0.25mo4.3试样取向金属疲劳裂纹扩展速率与试样裂纹面的取向和裂纹扩展方向有关。试样取向按GB/T4161一1984中5.3的规定。4.4试样的残余应力试样不可避免地会存在残余应力，它有可能引起疲劳裂纹扩展速率的变化。通过选择合适的试样形状和尺寸及合理的试样加工与热处理工艺等，使残余应力对疲劳裂纹扩展速率的影响尽量减小。4.5试样的厚度效应疲劳裂纹扩展速率并非总是与试样的几何形状无关，试样厚度的变化对疲劳裂纹扩展速率可能存在影响，因此，对试样的厚度效应应当引起注意。5试验装置5.1疲劳试验机试验允许在不同类型的拉压疲劳试验机上进行，但必须满足下列要求:a)校正载荷:其静态误差不超过士1%;其动态误差不超过士3}0b)带有循环计数器。5.2试验央具 BB7680一2000夹具应保证加载系统有良好的同心度;对拉一压加载系统应保证具有足够的刚性。CT试样试验夹具:U型夹具按图4设计。在高温条件下，材料应具有足够的高温强度。销钉与销孔间隙应设计得使摩擦减至最小。SENT试样试验夹具:按图5设计。夹具和试验机的连接可以是球绞或销钉连接，如图6所示。也可以是螺纹连接，如图7所示。5.3加热装JR与温度MIR装置5.3.1加热装置5.3.1.1加热炉可采用电阻炉或辐射炉。在空气介质大气压下加热试样，加热炉的均热带应不小于试样工作部分的1.5倍。5.3.1.2加热装置应保证在整个试验过程中温度在均热带范围内稳定。温度波动及梯度应符合表2的规定。表2试验温度，℃温度波动，℃温度梯度，℃簇600士22>600-900士33>900-1100士44>1100-1200土66注:1沮度波动指实测温度与试脸温度之差。z温度梯度指试样计算长度范围内任一瞬间所有被侧沮度的最高与最低值之差。3试验温度应包括对热电偶、补偿系统、侧谧仪器误差的修正。5.3}2温度侧量装置5.3.2.1温度测量的方法必须灵敏和可靠，以保证试样上温度波动和温度梯度满足表2的要求。5.3.2.2热电偶的校正应按JJG141和JJG351进行，热电偶在有效使用期内应保持使用稳定，试验周期内允许变动值按HB5151的规定。5.3.2.3温度测量系统和记录仪按HB5151的规定。5.4高温裂纹长度电位法测量装置5.4.1可采用直流电位法、脉冲电位法、翻转电位法中任何一种，推荐用微机控制的脉冲电位法。电位法测量裂纹长度的方法见附录A(提示的附录)。高温小裂纹长度测量方法见附录B(提示的附录)。5.4.2裂纹长度测量技术必须能够测量横截面上沿厚度方向的平均裂纹长度，在试验温度下测量裂纹长度的分辨率应不低于0.02me5.4.3裂纹长度测量的准确性，用重复测量裂纹长度确定平均裂纹长度标准偏差来表示。 HB7680一20006试脸程序6.1试样尺寸测f6.1.1用精度不低于0.02mm的量具在试样的韧带区域三点处测量厚度B，取平均值。6.1.2用精度不低于0.02mm的量具在试样裂纹所在截面附近测量宽度W。6.2试样安装6.2.1对于cl、试样，通过插人两个销钉，使试样安装在试验机上，施加大约预期试验载荷10%06.2.2对于SENT试样，通过螺纹将试样与夹具连接，施加大约预期试验载荷10%06.3预制疲劳裂纹预制疲劳裂纹按GB/T6398一1986中5.2进行。6.4热电偶安装测量试验温度的热电偶应固定在无裂纹轮廓区，裂纹平面上或距裂纹平面2-5mm处，试样宽度大于50mm时，推荐用多根热电偶。热电偶与试样应紧密地接触，防止直接热辐射，热区域可采用陶瓷绝缘器，防止短路。6.5升温升温和试验过程中试验温度波动不允许超过表2的规定。到达试验温度后保温时间不少于0.5h。升温过程中，电位系统的电流应同时接通到试样上。6.6试验载荷波形与频率的选定通常选定如下波形:正弦波、三角波、梯形波、单峰过载波形，试验频率和载荷保持时间可根据要求确定。6.7疲劳裂纹扩展试验6.7.1应保持载荷稳定和避免过载迟滞效应。6.7.2按照技术要求，选定试验频率并施加恒幅载荷、单峰过载或循环保持载荷中任意一种。6.7.3隔一定时间记录载荷循环数和与之相对应的裂纹长度或电位。6.7.4试验中任一点平均穿透疲劳裂纹与试样对称平面的偏离大于50，此点数据无效。6.8裂纹长度测f6.8.1用微机控制的脉冲电位法或其它方法测量疲劳裂纹长度，测量精度不低于。.02mm及0.002W中较大的一个。6.8.2裂纹增量Aa的测量间隔，应使da/dN一△K数据点接近均匀分布。推荐测量间隔见表3, HB7680一2000表3试样类型测量范围裂纹增量Da0.25镇a/W<-0.40成0.04WCI，试样0.400.60成o.olwSErii，试样a/W成0.60-0)AP=P-(R<0)对于如图7所示连接与加载方式的SENT试样:△二一沪P开}.[1.1348一。.5813{*-0*,1+8.0779{0al，一14.1602千a)3+9.5389r"14]一“B·W’“‘L“‘“，“”‘口u未口LWJ‘认u“ZLwJ且，‘luU‘(WJ"’口JO7Lw」(9)7 HB7680一2000对于0.05簇a/W<0.7，表达式有效。7.4推荐的数据处理程序推荐的数据处理程序参照GB/T6398一1986附录A，在符合试验要求的精度下也允许采用其他数据处理的方法。7.5商温疲劳裂纹扩展速率的表征根据试样断口的SEM分析，如果是纯疲劳断口，则可以用△K来表征da/dN，对于da/dN=C(AK)""·······················。·········⋯⋯(10)恒幅载荷，通常采用帕里斯(Paris)公式或SINH模型来关联da/dN和△K数据。da/dN=C,sinh[CZ(IgAK)+C33+C,··············。···⋯⋯(11)对于最大载荷的循环保持da/dN=C(AK)"+A"K""tn.................................(12)式中:tb—最大载荷的保持时间。对于单峰过载，通常采用Wheeler模型来表征过载迟滞效应da/dN二(da/dN)IRG·。···························⋯⋯(13)r#)抓(as+ra一a;式中:(p-迟滞系数;m—材料常数;‘—塑性区半径。8试验报告试验报告应包括下列内容:a)试样类型、厚度和宽度，除标准CT,SENT试样外均应给出试样图。b)试验机型号，测量裂纹长度的装置。C)材料牌号、炉批号、品种规格及热处理制度。d)取样方位，从结构件取样时应给出取样图。e)加载变量，包括载荷范围、载荷比、加载频率和波形。f)试验温度及环境介质。9)“一N曲线及相应的数据(a=从)表。h)数据处理方法，包括疲劳裂纹曲率修正、计算da/dN和△K的方法。为了使预测寿命的方法与本标准所给数据条件一致，当R小于零时，说明计算最小应力强度因子Km‘二的方法。i)da/dN与△K图表，在双对数坐标纸上给出da/dN一AK曲线数据点时，为了更好地对比数据，建议横坐标(1gAK)尺寸为纵坐标(划a/dN)尺寸的2--3倍。j)任何引起反常数据现象的说明。k)试验人员，试验日期。8 H日7680一20001)对于小裂纹，还应给出裂纹偏离、弯曲角度，裂纹增长的不对称度，计算裂纹扩展驱动力的裂纹形状比。裂纹起裂时的循环数和对应的裂纹尺寸，估计的裂纹测量分辨率，裂纹扩展速率计算方法以及所使用的计算K的公式。图lda/dN标准(月，试样图 HB7680-2000(b)图1da/dN标准Cl，试样图10 HB7680-2000z一B2n}AGB’‘’一”图2SENT试样图11 H日7680一2000图3切口样图及最小疲劳裂纹预制要求12 HB7680一2000图4C7，试样U形夹具13 HB7680一2000M18x1.25黔羚LMWx1.25鲁36图5SENT试样夹具图14 HB7680一2000图6试样与球形夹具和试验机的连接示意图15 HB7680-2000图7SEN7，试样与液压夹头和试验机的连接示意图 F田7680一2000附录A(提示的附录)裂纹长度的电位法测tA1电位法测且裂纹长度原理在含裂纹试样上，电流场是试样几何形状、特别是裂纹尺寸的函数。通一恒电流，电势随试样裂纹长度增加而升高。AZ基本方法A2.，直流电位(DC)法(如图A1所示)是给试样通一恒流，电流在5-50A时，典型的电位输出在0.1-50mv范围内，为得到足够的电位分辨率，应特别注意噪声和零漂。直流电位法受热电势的影响，由于热电势是由温度变化引起的，可通过关电流而测得热电势或反转电流加以消除。A2.2微机控制脉冲电位法裂纹测量技术是将微机引人控制测量系统，利用微机对载荷峰值进行判断，产生同步控制信号，使可调电流脉冲电流源产生与试验载荷同步的脉冲电流(载荷峰值时脉冲电流源输出脉冲电流)，同时微机利用高精度的A/D板采集载荷和经测量放大器放大后的电位数据，用约翰逊(Johnson)或标定公式计算出裂纹长度a，进一步算出K,da/dN及△K等。试验过程中连续自动测量裂纹长度，在软件的控制下，微机不断把试验数据存人硬盘，供结果分析使用。适用于在空气中和高温环境下不同几何尺寸和不同金属材料试件裂纹长度的测量。A3氧化物和环境的影响许多材料在试验条件下产生氧化产物，其沿着新生成的断裂表面起绝缘作用。这种情况下，一个循环中的电压是不变的(假设一个循环中裂纹不扩展)。在没有氧化产物的情况下，裂纹闭合可导致低于实际尺寸的结果。在近门槛值附近应特别注意这一点。试样或仪器的变化将引起测量电位的变化。例如，试样温度变化1`C，将使电信号产生几八的变化。各种因素的影响，可应用参考电位，将测量点的电位无量纲化而加以消除。如参考电位直接从试样上测得，应使参考电位不随裂纹长度而变化。A4裂纹长度与电位间的关系裂纹长度和电位的关系一般表达为无量纲电位(V/V,)和参考裂纹之间的函数形式:a=f(V/V=a,)····，··············。·，，，，········⋯⋯(A1)式中:V-测量电位，mV;叭—参考电位，mV;a—裂纹尺寸，二;17 HB7680一2000a,—与V,对应的参考裂纹长度或缺口尺寸，rnme导线与试样连接位置对测量精度有影响。近裂纹尖端的测量点有较好的测量精度，但裂纹尖端处的电场极不均匀，导线位置细微的变化将引起电位较大的变化。对于同样的裂纹尺寸，在多数情况下，测量精度最高的地方也是对位置最敏感的地方。式(A2)是针对直流电位法中具有锋利裂纹尖端的裂纹得出的，如以钝的缺口作参考裂纹将引起误差。CI"试样裂纹尺寸与电位关系如下式，这一关系由海克斯(Hicks)和皮克得(Pickard)由有限元分析发展而来并被证实的。只有在如图A2(a),(b)所示的测量位置时，方程系数才适用。a/W=Co+C,(V/V,)+C2(V/V,)2+C3(V/V,);·········⋯⋯(A2)式中:0.24成a/W簇0.7;Co=一0.5051,C,=0.8857,C2=0.1398,C3=0.00023980对于单边缺口拉伸试样SENT，在如图A3所示的测量位置时，利用ANSYS有限元软件，可算得裂纹尺寸与电位之间的关系如下:·/w一}:=oB,(v)(A3)对于ao/W=0.1，则Bo=1.01844,B,=一0.940482,B2=8.48,B3=一9.7697,B,=6.60606ao/W=0.2，则Bo=1.01102,B,=一1.81407,B2=11.3767,B3=一14.733,B,=9.30679ao/W=0.3，则Bo=1.03528,B,=一2.9246,B2=13.6859,B3=一17.4656,B<=10.1249式中:a—裂纹长度，mm;W—试样宽度，mm;V-测量电位，mV;从—参考电位，mV;ao—初始裂纹长度，m.当ao/W为其它任意值时，可通过数值插值计算求得B，的数值。SENT试样的电位法标定曲线见图A4oA5装夹电位法依赖一恒电流通过试样，测量不同裂纹扩展阶段电位的变化。多数试验机系统环路电阻远大于试样电阻。但有些试验机环路电阻与试样相比不可忽略，则应在试样和加载系统间采取绝缘措施。A6电位系统的分辨率有效分辨率定义为实际中能分辨出的最小裂纹尺寸，不仅仅是记录装置的最佳分辨率。18 BB7680一2000对于一般试验室环境中试样，直流电流5-50A和电压分辨率为10.1tiv或10.1%V,，将能产生0.1%W的裂纹尺寸分辨率。对于给定试样形状、材料、试验设备，裂纹尺寸的分辨率应给予分析。直流回路O:二二卜试样直流源O测量回路电压计放大器记录装1图Af直流电位法原理图 HB7650-2000电沈抽人(a)焊接(<950℃)4-f2x4(b铆接(950-1200r,)图A2CI"试样电位法导线连接示意图20 H田7680-2000焊接(<9501C)4处铆接(950-12000)4处4一02.SX3图A3高温SENT试样导线连接示意图声一万石一/刀1知/备一’---.}}"-。~嘴厂户产乙沪产1一，一，口.，~，1}]0.20.40.60.8a/W图A4SENT试样电位法标定曲线21 HB7680一2000附录s(提示的附录)高温小裂纹长度测里Bi范围本附录中给出了高温小裂纹试样形状与尺寸、裂纹长度测试方法和试验数据处理方法。B2小裂纹长度测最方法本附录推荐两种测量方法，根据具体情况，优选一种。a)直流电位法:建议使用直径大于0.15mm的镍铬导线，所用电流源能提供10--50A，噪音小于。.05%的长时稳定电流，电位计能测出初始200yV中的。.2uV变化，增益为10`，这要求从2V到最终6V的过程中，能测出2mV的变化。b)长焦距显微镜法:如同室温下用读数显微镜观察长裂纹一样，以长焦距显微镜透过带观察窗的高温炉，测量高温下小裂纹长度。通常要配备计算机图象处理系统。B3试样B3.1试样形状与尺寸在试样上制造一小尺寸切口诱导裂纹萌生，切口可用电火花或薄砂轮加工。为了消除机械加工的影响，预裂纹长度应至少两倍于切口尖端半径。有些小裂纹试样几何形状在裂纹萌生后不对称，如产生角裂纹，应特别注意减小试样的弯曲和扭转变形。推荐的小裂纹试样如图B1所示。图BI(a)为圆柱形表面裂纹试样，这一形状有利于避免形成表面小裂纹和适用于大应力范围。图B1(b)为角裂纹试样，可通过电火花加工一小角裂纹，其优点是裂纹长度和深度可同时观察到。B3.2试样表面准备机加工引起的近表面残余应力和粗糙表面对裂纹扩展行为有影响，所以应在试验前加以消除，机加工后，应进行低应力研磨，表面抛光可通过电解或化学抛光，亦可用手工抛光，但应随后去除残余应力。B3.3应力水平和应力比对于许多材料，0.6倍的材料屈服强度将有助于相对较短时间内产生小裂纹，接近屈服强度的应力易产生多条裂纹，分析时需考虑塑性变形，应力比对小裂纹起裂也有影响。B3.4电流输入输出试样的位置在小裂纹试样预制的人工缺口两侧各为两毫米处，焊上电流输人、输出导线和测量裂纹面电压的导线。如图B2所示。22 BB7680一2000B3.5裂纹深度测f除了要测量裂纹的表面长度(2c)以外，计算裂纹的驱动力时，还需要裂纹形状，通常假设为半椭圆表面裂纹，但必须获得一些深度数据，这可通过一次拉断不同试验阶段的小裂纹试样，测量断口得到。B4计算和说明B4.1AK的计算许多小裂纹试验方法中假设裂纹为半椭圆形，应力强度因子范围一般表达式为:AK=凡△。、瓜不硕······························⋯⋯(B1)式中:do;—远场均匀拉伸应力范围;Q—椭圆积分;F;—边界修正因子。具体计算方法见有关应力强度因子手册。注:裂纹形状的半椭圆假设适用于细晶和各向同性材料。在晶粒粗大或各向导性材料中，半椭回假设与实际相关较大。B4.2裂纹扩展速率计算测量误差使da/dN的计算结果分散，如果裂纹长度测量间隔,}Ia减小，则测量误差对da/dN的影响增大;不同的数据处理方法也影响裂纹增长速率的分散度。在小裂纹测量中，裂纹扩展量da较小，扩展速率数据分散较大;推荐使用割线法计算da/dN。B4.3电位与裂纹长度间的关系由于用电位法测量小裂纹长度时，除了需要高精度的电位计以外，如果电流输人输出试样的位置，由于操作原因，未能严格按照本标准的图纸尺寸进行，则可以按照实际位置和下列公式重新计算电位与裂纹长度的标定曲线。Roe-Coffin半椭圆缺口解，裂纹深度为“，长为2c,高为26，当b=0时，电位为:V1一k2Sin2O+E(k,O)一QtangV=I几乙，(B2)式中:V,—参考电位，mV;L,—电位测量点与裂纹面的距离，二。二(8"a,)一fa0z(I一，:51矛，)1左d，0=tann-"(IF0)00=tan-"(b/(3)Q一二(*，。。卜acAa,p,a的解与裂纹形状比大于或小于单位1有关，导线位置(x二Lo,y=O,z),2L，是导线间距离，z是导线偏离试样中心线的距离。23 HB7680一2000对于c)a)b尸=a2一b2A2=c2一b2(B3)k2=1一尸/,12如L食+2zz>A2，则。=1(Lp+z2一a2(B4)2L声如L奏+2zz尸，则L二+z2一2L一1+(B7)P,如L2十z2<尸，则2Lp夕Q二二(B8)24 BB7680一2000(a)表面裂纹试样图B1高温疲劳小裂纹试样25 HB7680-20009_510.05o夔00.1.DcO.15t0.05回工预制I(b)角裂纹试样图B1高温疲劳小裂纹试样26 HB7680一2000(a)表面裂纹试样(b)角裂纹试样图B2高温疲劳小裂纹试样连接导线示意图27'