徐葉松

（無(wú)錫市計(jì)量測(cè)試中心，江蘇 無(wú)錫 214000）

數(shù)字散斑法研究材料應(yīng)變疲勞壽命的實(shí)例分析

徐葉松

（無(wú)錫市計(jì)量測(cè)試中心，江蘇 無(wú)錫 214000）

機(jī)械零件由于長(zhǎng)時(shí)間工作造成損壞，并且影響其使用壽命和使用效果。研究這次額及其部件的損壞及分析具體原因也顯得極為重要。通過(guò)使用數(shù)字散斑相關(guān)法作為彈塑性變形的檢測(cè)技術(shù)對(duì)材料的損傷和壽命做了相關(guān)的研究、探索。介紹了試驗(yàn)的設(shè)備及試件、試驗(yàn)方法、試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法、數(shù)據(jù)處理舉例及結(jié)果匯總。研究表明，材料的應(yīng)變疲勞壽命與裂端的塑性應(yīng)變相關(guān)。試驗(yàn)的研究方法和成果對(duì)日后相關(guān)研究及推測(cè)有很好的借鑒作用，為相關(guān)研究奠定了良好的基礎(chǔ)。

數(shù)字散斑法；研究；材料；應(yīng)變

機(jī)械零件在長(zhǎng)時(shí)間的工作環(huán)境中由于疲勞累積損傷裂紋，造成突然斷裂等失效的現(xiàn)象極為普遍。研究零件從裂紋成核至微裂紋萌生、再至宏觀裂紋的亞臨界擴(kuò)展到零件最終斷裂的全過(guò)程的材料行為，對(duì)建立材料損傷與疲勞壽命的聯(lián)系及機(jī)械零件的可靠性控制極為重要。

研究表明，材料的應(yīng)變疲勞壽命與裂端的塑性應(yīng)變有關(guān)。因此，研究測(cè)量應(yīng)變集中區(qū)域的彈塑性變形及其與疲勞循環(huán)次數(shù)的相關(guān)性，對(duì)于研究裂紋萌生期的材料損傷，預(yù)防零件中宏觀裂紋的產(chǎn)生及擴(kuò)展具有十分重要的意義。

筆者參與中航一集團(tuán)沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研究所的委托項(xiàng)目“發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵部件的損傷容限設(shè)計(jì)方法研究”中的部分研究工作，通過(guò)使用數(shù)字散斑相關(guān)法作為彈塑性變形的檢測(cè)技術(shù)，研究獲得了GH4169材料孔邊名義的應(yīng)力～應(yīng)變關(guān)系與疲勞循環(huán)次數(shù)的相關(guān)性，研究方法及結(jié)果對(duì)于建立材料損傷與壽命的聯(lián)系、探索壽命預(yù)測(cè)方法有很好的借鑒作用。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及試件

①力值加載設(shè)備為MTS809材料試驗(yàn)機(jī)，載荷讀數(shù)精度為0.5%，攝像用空間分辨率為768×576像素的CCD；②試件的材料為 GH4169，其 σ0.2=1 245MPa；σb=1 460MPa，試件及尺寸如圖1所示；③通過(guò)利用交替噴灑黑漆點(diǎn)和白漆點(diǎn)的方法，預(yù)先在試件孔周的表面上制成隨機(jī)分布的白光散斑圖，如圖2所示。

2 實(shí)驗(yàn)方法

圖1 試件尺寸圖

圖2 孔周白光散斑圖

圖3 位移矢量增量分布圖

2.1 力值加載設(shè)定

①疲勞循環(huán)的按載荷譜0→Pmax→0的加載方式進(jìn)行，最大載荷Pmax＝12 kN，疲勞試驗(yàn)頻率為10Hz；②在一組疲勞循環(huán)（500次為一組）前、后分別進(jìn)行一次緩慢加載循環(huán)，從而依靠CCD記錄下各級(jí)載荷作用時(shí)孔周附件的白光散斑圖。緩慢循環(huán)實(shí)驗(yàn)時(shí)，將最大載荷Pmax分成八級(jí)，從0載開(kāi)始，逐級(jí)加載最大載荷Pmax，再逐級(jí)卸載至0載荷。一次緩慢循環(huán)實(shí)驗(yàn)大約需用2.5min。

緩慢循環(huán)實(shí)驗(yàn)時(shí)，每一級(jí)載荷Pi對(duì)應(yīng)的孔邊的名義應(yīng)力σi按下式計(jì)算：

式中，δ——試件的厚度，

b——試件的寬度，

Ky=3——是名義應(yīng)力集中系數(shù)。

2.2 實(shí)驗(yàn)具體步驟

①在疲勞試驗(yàn)前，首先進(jìn)行緩慢循環(huán)實(shí)驗(yàn)，用顯微攝錄系統(tǒng)記錄下各級(jí)載荷作用下孔周的白光散斑圖；②疲勞循環(huán)500次Ni(Ni=0，1，2，3…)后停機(jī)，再進(jìn)行緩慢循環(huán)實(shí)驗(yàn)，同樣用顯微攝錄系統(tǒng)記錄下每一個(gè)緩慢循環(huán)實(shí)驗(yàn)中各級(jí)載荷作用下的孔周白光散斑。

如此反復(fù)，試件在經(jīng)過(guò)21 000多次疲勞循環(huán)后斷裂破壞。

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法

①利用數(shù)字散斑相關(guān)技術(shù)，求出每次緩慢循環(huán)加載實(shí)驗(yàn)中每一級(jí)載荷作用下的孔周位移場(chǎng)，并采用逐點(diǎn)最小二乘法，對(duì)所得位移場(chǎng)進(jìn)行濾波處理；②求出最大載荷Pmax作用下孔周的縱向位移分量V（x,y）的等值線分布圖以及縱向應(yīng)變分量εy（x,y）的等值線分布圖；③利用所求位移分量Vi（x,y）的分布，找出孔邊所在縱剖面（y方向，也即拉伸方向）內(nèi)各像素點(diǎn)上的縱向位移分量Vi（x0,y）；④利用最小二乘法對(duì)該剖面內(nèi)離散的位移分量Vi（x0,y）進(jìn)行曲線擬合，得到該剖面內(nèi)位移分量的解析表達(dá)式V（x0,y）；⑤將位移分量V（x0,y）對(duì)y求導(dǎo)，得到該剖面內(nèi)正應(yīng)變?chǔ)舮的解析表達(dá)式，并求出孔中心所在橫向剖面內(nèi)的孔邊的應(yīng)變值εy；⑥按公式（1）求出孔邊應(yīng)力名義 σi；⑦畫(huà)出孔邊名義應(yīng)力 σi～εi的關(guān)系曲線。

圖4 縱向位移分量V(x,y)的增量等值線分布圖

圖5 縱圖向應(yīng)變分量εy(x,y)增量值分布圖

圖6 縱向剖面內(nèi)的縱向位移分量V(x0,y)的增量值線分布圖增量分布及其擬合曲線

圖7 疲勞試驗(yàn)前第N0次關(guān)系曲線

4 數(shù)據(jù)處理舉例及結(jié)果匯總

圖3和圖4分別是疲勞循環(huán)10 000次、第N20次緩慢循環(huán)實(shí)驗(yàn)時(shí)，最大載荷Pmax作用下，相對(duì)疲勞循環(huán)10 000次零載時(shí)，孔周附近的位移矢量增量分布圖和縱向位移分量V（x,y）的增量等值線分布圖。

圖8 第N4次～第N20次的關(guān)系曲線

圖9 第N24次～第N40次的關(guān)系曲線

圖5和圖6分別是疲勞循環(huán)10 000次、第N20次緩慢循環(huán)實(shí)驗(yàn)時(shí)，最大載荷Pmax作用下，相對(duì)疲勞循環(huán)10 000次零載時(shí)，孔周附近縱向應(yīng)變分量εy（x,y）的增量等值線分布圖和孔邊所在縱向剖面內(nèi)各像素點(diǎn)上的縱向位移分量V（x0,y）的增量及其擬合曲線。

疲勞循環(huán)10 000次、第N20次緩慢循環(huán)實(shí)驗(yàn)時(shí)，最大載荷Pmax作用下，相對(duì)疲勞循環(huán)10 000次零載時(shí)，孔邊縱向剖面位移分量V(x0,y)的增量及應(yīng)變分量εy的增量解析表達(dá)式為：

V(x0，y)=0.000 087y3-0.000 092y+0.005 226y-0.001 437

=0.000 261y-0.000 184y+0.005 226

對(duì)每個(gè)疲勞循環(huán)的結(jié)果進(jìn)行匯總，其中圖7是疲勞試驗(yàn)前進(jìn)行的第N0次緩慢循環(huán)實(shí)驗(yàn)的名義應(yīng)力～應(yīng)變曲線；圖8中從左向右5條曲線分別是疲勞試驗(yàn)后進(jìn)行的緩慢循環(huán)實(shí)驗(yàn)N4、N8、N12、N16和N20的名義應(yīng)力～應(yīng)變曲線。圖9中從左向右5條曲線分別是疲勞試驗(yàn)后進(jìn)行的緩慢循環(huán)實(shí)驗(yàn)N24、N28、N32、N36和N40的名義應(yīng)力～應(yīng)變曲線。相臨每?jī)蓚€(gè)名義應(yīng)力～應(yīng)變曲線之間的疲勞循環(huán)次數(shù)為2 000次。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

由上圖組所示孔邊名義應(yīng)力～應(yīng)變關(guān)系隨疲勞循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲線可以發(fā)現(xiàn)如下現(xiàn)象。

①疲勞試驗(yàn)前的第N0次緩慢循環(huán)實(shí)驗(yàn)在孔邊造成了很大的殘余性應(yīng)變，大約在0.01左右。②疲勞試驗(yàn)中，第N4次～第N20次緩慢循環(huán)實(shí)驗(yàn)，在孔邊產(chǎn)生的殘余應(yīng)變?cè)隽繕O小。加上疲勞試驗(yàn)在孔邊產(chǎn)生的殘余應(yīng)變?cè)隽恳膊淮螅赃@些名義應(yīng)力～應(yīng)變關(guān)系曲線幾乎重合，難以分辨，甚至還有交叉。③一次緩慢循環(huán)實(shí)驗(yàn)造成的孔邊殘余應(yīng)變遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于疲勞試驗(yàn)一個(gè)周期造成的殘余應(yīng)變，緩慢加載(準(zhǔn)靜態(tài))會(huì)給試件造成更大的損傷。④第N24次～第N40次(第N24次～第N36次)緩慢循環(huán)實(shí)驗(yàn)，在孔邊產(chǎn)生了越來(lái)越大的殘余應(yīng)變?cè)隽?，這表明孔邊材料的疲勞損傷已經(jīng)非常嚴(yán)重，疲勞壽命已經(jīng)不多了。

Analysisof Digital Speckle Material Strain Fatigue Life Examples

Xu Yesong

Abstract:mechanical parts,damage due to longworking hours,and the impactof its service life and the use ofeffects.The research of this amountand its damage to the components and analysisof the specific reasons isextremely important.Article through the use ofdigital speckle correlationmethod aselastoplastic deformation detection technology ofmaterialdamage and life-related research,and explore.Testequipmentand specimen,testmethods,testdata processingmethod,data processing,for example,and the results always.Studies have shown,the Strain Fatigue life and crack tip plastic strain related.Researchmethods and results of the test is a good reference for future research and speculate,and laid a good foundation for the research.

digitalspeckle;research;materials;contingency

TH 71/89

A

1000-8136（2013）02-0151-02

（編輯：王靜）