【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及金属材料疲劳失效，特别涉及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。
技术介绍
1、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d a/d n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（d a/d n，△ k）数据，d a/d n-△ k 表达式通常用paris公式拟合得到。
2、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，不能用于描述弹塑性力学条件下的应力应变场。然而，在d a/d n 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已进入弹塑性力学状态，不再满足小范围屈服条件。
3、因此，通过分析拟合试验数据（d a/d n，△
技术实现思路
1、有鉴于此，本专利技术旨在提出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，以解决现有技术中通过分析拟合试验数据（d a/d n，△ k ）所获得的paris公式在工程设计应用时存在安全风险的问题。本专利技术根据金属材料疲劳裂纹扩展速率概念与驱动参量无直接相关性的根本特征，提出用裂纹扩展过程中裂纹尖端塑性区尺寸变化量△ r 来表征疲劳裂纹扩展速率的新思路，通过试验获得系列（d a/d n，△ r ）值，通过数据分析建立从线弹性或小范围屈服到弹塑性力学整个过程的d a/d n-△ r 非paris公式形式的数学模型，从而实现弹塑性条件下疲劳裂纹扩展速率的正确表征，为金属材料工程结构的损伤容限设计和安全寿命评估提供准确的理论基础和试验数据支撑。
2、为达到上述目的，本专利技术的技术方案是这样实现的：
3、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，包括如下步骤：
4、s1：测量预制完裂纹的试样尺寸，确定试验载荷，计算裂纹尖端的应力强度因子 k 值；
5、s2：选择其他试验参数；
6、s3：进行疲劳裂纹扩展速率d a/d n 试验，获得系列d a/d n 值；
7、s4：根据计算分析，获得系列裂纹尖端塑性区尺寸变化量△ r 值；
8、s5：根据获得系列（d a/d n，△ r ）数据组，分析d a/d n～△ r 数据分布规律；
9、s6：建立d a/d n-△ r 数学模型，对工程结构进行损伤容限设计和安全寿命评估。
10、进一步地，在疲劳裂纹扩展速率d a/d n 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：
11、（1）
12、式中， r0—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；
13、对于seb试样 ，k的表达式为：
14、（2）
15、式中， y—无量纲形状因子，和试样形状有关； p—试验载荷，n； b—试样厚度，mm； w—试样宽度，mm。
16、进一步地，在步骤s1中，测量试样尺寸包括厚度 b、宽度 w 和初始裂纹长度 a0。
17、进一步地，在步骤s2中，选择设置的其他试验参数包括试验载荷范围△ p、试验频率 f、应力比 r、试验环境。
18、进一步地，在步骤s3中，在试验过程中，通过式（6）和式（7），获得裂纹长度 a 值，然后通过步骤s1中测量的试样宽度 w 和式（3），计算获得无量纲试样形状因子 y 值，其中：
19、seb试样的形状因子 y 为：
20、（3）
21、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；
22、在整个d a/d n 试验过程中，疲劳裂纹长度根据柔度测量，归一化裂纹长度表达为：
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1.一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，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的金属材料在弹塑性条件下疲劳裂纹扩展速率的估算方法，其特征在于，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：
3.根据权利要求1或2所述的金属材料在弹塑性条件下疲劳裂纹扩展速率的估算方法，其特征在于，在步骤S1中，测量试样尺寸包括厚度B、宽度W 和初始裂纹长度a0。
4.根据权利要求3所述的金属材料在弹塑性条件下疲劳裂纹扩展速率的估算方法，其特征在于，在步骤S2中，选择设置的其他试验参数包括试验载荷范围△P、试验频率f、应力比R、试验环境。
5.根据权利要求4所述的金属材料在弹塑性条件下疲劳裂纹扩展速率的估算方法，其特征在于，在步骤S3中，在试验过程中，通过式（6）和式（7），获得裂纹长度a 值，然后通过步骤S1中测量的试样宽度W 和式（3），计算获得无量纲试样形状因子Y 值，其中：
6.根据权利要求5所述的金属材料在弹塑性条件下疲劳裂
7.根据权利要求6所述的金属材料在弹塑性条件下疲劳裂纹扩展速率的估算方法，其特征在于，通过式（7）和式（6）计算获得裂纹长度a，根据试验机控制器内试验软件程序，自动采集获得循环次数N，根据数据组（a，N ）获得a-N 曲线，然后根据七点递增多项式计算，获得系列裂纹扩展速率da/dN。
8.根据权利要求7所述的金属材料在弹塑性条件下疲劳裂纹扩展速率的估算方法，其特征在于，在步骤S5中，根据步骤S3获取的系列da/dN 值以及步骤S4获取的系列△r 值，形成数据组（da/dN，△r ），将da/dN～△r 数据置于坐标系中观察分析，分析da/dN～△r 数据分布规律，以使拟合系数的平方R2尽量接近于1，数据尽量少偏离拟合曲线为原则选择拟合函数。
9.根据权利要求8所述的金属材料在弹塑性条件下疲劳裂纹扩展速率的估算方法，其特征在于，在步骤S6中建立da/dN-△r 数学模型：
10.根据权利要求9所述的金属材料在弹塑性条件下疲劳裂纹扩展速率的估算方法，其特征在于，在步骤S6中，根据da/dN-△r 数学模型，确定最初的裂纹长度尺寸，获得临界裂纹长度尺寸，实现对工程结构的损伤容限设计和安全寿命评估。
...【技术特征摘要】
1.一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，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的金属材料在弹塑性条件下疲劳裂纹扩展速率的估算方法，其特征在于，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：
3.根据权利要求1或2所述的金属材料在弹塑性条件下疲劳裂纹扩展速率的估算方法，其特征在于，在步骤s1中，测量试样尺寸包括厚度b、宽度w 和初始裂纹长度a0。
4.根据权利要求3所述的金属材料在弹塑性条件下疲劳裂纹扩展速率的估算方法，其特征在于，在步骤s2中，选择设置的其他试验参数包括试验载荷范围△p、试验频率f、应力比r、试验环境。
5.根据权利要求4所述的金属材料在弹塑性条件下疲劳裂纹扩展速率的估算方法，其特征在于，在步骤s3中，在试验过程中，通过式（6）和式（7），获得裂纹长度a 值，然后通过步骤s1中测量的试样宽度w 和式（3），计算获得无量纲试样形状因子y 值，其中：
6.根据权利要求5所述的金属材料在弹塑性条件下疲劳裂纹扩展速率的估算方法，其特征在于，在步骤s4中，结合试验材料的屈服强度rp0.2，试验参数△p，以及式（3）所获得y 值，根据...
【专利技术属性】
技术研发人员：张亚军，曾艳，王珂，李会民，
申请(专利权)人：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，
类型：发明
国别省市：
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