基于壓縮預(yù)制裂紋方法的鈦合金裂紋擴(kuò)展門檻值測(cè)試

張海偉，高怡斐,2，任 欣，李 順

(1.鋼鐵研究總院分析測(cè)試研究所，北京 100081; 2.鋼研納克檢測(cè)技術(shù)股份有限公司，北京 100081;3.鋼研納克成都檢測(cè)認(rèn)證有限公司，四川 成都 610200)

0 引 言

為了測(cè)量中低應(yīng)力比條件下準(zhǔn)確的裂紋擴(kuò)展門檻值和近門檻值數(shù)據(jù)，Pippan[5]等開發(fā)了一種新的壓縮預(yù)制裂紋方法，通過(guò)循環(huán)壓向載荷，在預(yù)制切口的緊湊型拉伸C(T)試樣的尖端產(chǎn)生會(huì)自然停止的預(yù)制裂紋，而且壓向的循環(huán)載荷會(huì)在裂紋的尖端產(chǎn)生拉向的殘余應(yīng)力，預(yù)制裂紋的生長(zhǎng)過(guò)程受這種尖端殘余應(yīng)力場(chǎng)的控制。然后通過(guò)加載恒定載荷，在裂紋長(zhǎng)度擴(kuò)展至數(shù)個(gè)壓縮塑性區(qū)尺寸后，壓縮預(yù)制所產(chǎn)生的應(yīng)力被完全消除，殘余應(yīng)力場(chǎng)逐漸消失，獲得不受加載歷史效應(yīng)的，準(zhǔn)確的門檻值和近門檻值數(shù)據(jù)，目前，國(guó)內(nèi)對(duì)該方法的研究較少。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文基于降載法和壓縮預(yù)制裂紋恒載(CPCA)方法，首先進(jìn)行不同尺寸的鈦合金室溫門檻值降載法實(shí)驗(yàn)，證明了裂紋擴(kuò)展門檻值敏感材料Ti6Al4V不同尺寸試樣在近門檻值區(qū)域的數(shù)據(jù)差異，再進(jìn)行不同尺寸試樣CPCA法實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了CPCA方法在裂紋擴(kuò)展門檻值實(shí)驗(yàn)中的可行性。對(duì)比兩種方法，證明了CPCA相較于降載方法在裂紋擴(kuò)展門檻值敏感材料Ti6Al4V中的優(yōu)勢(shì)，是一種測(cè)試裂紋擴(kuò)展門檻值下限的有效方法。

1 CPCA方法原理

在壓縮循環(huán)載荷作用下，小裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展主要是由切口根部塑性變形產(chǎn)生的拉伸殘余應(yīng)力引起。通過(guò)對(duì)C(T)試樣施加壓向循環(huán)載荷，在試樣機(jī)械切口的尖端發(fā)生壓縮屈服，在卸載過(guò)程中使切口尖端產(chǎn)生拉伸殘余應(yīng)力，對(duì)應(yīng)的應(yīng)力變化如圖1所示，其中，壓縮循環(huán)的載荷最大值和最小值分別對(duì)應(yīng)圖1（a）中的壓縮塑性區(qū)與單調(diào)拉伸塑性區(qū)。在卸載過(guò)程中施加載荷最小時(shí)，尖端存在拉伸殘余應(yīng)力，在后續(xù)循環(huán)載荷作用下，單調(diào)拉伸塑性區(qū)中間會(huì)出現(xiàn)循環(huán)塑性區(qū)，裂紋在拉伸殘余應(yīng)力的作用下產(chǎn)生和擴(kuò)展。圖1（a）示意了第一次循環(huán)過(guò)程中的切口尖端塑性區(qū)分布，圖1（c）示意了切口尖端及韌帶區(qū)域的循環(huán)過(guò)程應(yīng)力狀態(tài)。在第一周循環(huán)過(guò)后，循環(huán)塑性僅發(fā)生在單調(diào)拉伸塑性區(qū)內(nèi)部，這一現(xiàn)象可用小裂紋屈服概念解釋[6]。在裂紋擴(kuò)展經(jīng)過(guò)殘余應(yīng)力區(qū)域后，會(huì)發(fā)生殘余應(yīng)力松弛，這將導(dǎo)致循環(huán)塑性區(qū)尺寸的減小，隨著與壓縮塑性區(qū)相關(guān)的殘余應(yīng)力場(chǎng)的減小，如圖1（b）所示，即使循環(huán)繼續(xù)進(jìn)行，局部驅(qū)動(dòng)力也會(huì)逐漸減小至裂紋擴(kuò)展的門檻值，裂紋停止生長(zhǎng)，而此時(shí)裂紋殘余拉伸應(yīng)力即驅(qū)動(dòng)力大于0，殘余應(yīng)力場(chǎng)仍然起作用，使得裂紋處于張開狀態(tài)，如圖1（d）C點(diǎn)之后的應(yīng)力水平。

圖1 壓縮預(yù)制過(guò)程裂紋尖端塑性區(qū)分布與應(yīng)力變化

2 實(shí) 驗(yàn)

本文所用材料取自擠壓型材Ti6Al4V，屈服強(qiáng)度σ0.2為850 MPa，抗拉強(qiáng)度為σb為920 MPa，彈性模量E為115 GPa，分別加工成寬度W為25，50，75 mm的緊湊型拉伸C(T)試樣，選取R=0.1的應(yīng)力比。分別進(jìn)行LR法和CPCA法實(shí)驗(yàn)，獲得近門檻值數(shù)據(jù)，并對(duì)不同尺寸的兩種實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行對(duì)比，分析了不同條件下門檻值測(cè)定的尺寸效應(yīng)和裂紋尖端閉合效應(yīng)。

為了驗(yàn)證裂紋擴(kuò)展門檻值中可能存的尺寸效應(yīng)，并滿足ASTM E647 標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)于試樣厚度B（W/20≤B≤ W/4）的要求，試樣統(tǒng)一加工為B=6.35 mm，試樣預(yù)制切口采用線切割加工，尖端最小半徑為0.2 mm，尖端角度為60°，試樣前表面加工刀口固定COD夾規(guī)，如圖2所示。

圖2 緊湊型拉伸C(T)試樣（單位：mm）

所有實(shí)驗(yàn)均在室溫大氣條件下進(jìn)行，選用MTS公司生產(chǎn)的50 kN液壓伺服疲勞實(shí)驗(yàn)機(jī)，通過(guò)柔度法實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)裂紋長(zhǎng)度，為避免高頻震動(dòng)產(chǎn)生的熱效應(yīng)，同時(shí)兼顧效率，實(shí)驗(yàn)頻率選擇30 Hz。

方法一：采用ASTM E647中規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)降載（load-reduction,LR）法，圖3所示為R=0時(shí)，降載法的控制程序，縱軸為實(shí)驗(yàn)過(guò)程中實(shí)時(shí)最大力Pmax和初始實(shí)驗(yàn)最大力(Pmax)i的比值，選擇一個(gè)合適的初始應(yīng)力強(qiáng)度因子，保證初始尖端裂紋擴(kuò)展速率小于10-5mm/cycle，符合美標(biāo)E647中的規(guī)定，防止da/dN＞10-5mm/cycle時(shí)產(chǎn)生的加載歷史影響到近門檻值區(qū)域數(shù)據(jù)[7]。B.L.Boyce[8]等也證明了最大K值會(huì)對(duì)TC4裂紋擴(kuò)展門檻值產(chǎn)生影響。降K梯度的C值選擇-0.08 mm-1，此時(shí)能保證裂紋每擴(kuò)展0.5 mm，力值下降約5%，符合標(biāo)準(zhǔn)中裂紋擴(kuò)展0.5 mm，力值最大下降10%的范圍。

圖3 應(yīng)用于疲勞裂紋擴(kuò)展門檻值測(cè)試的降載法和壓縮預(yù)制裂紋恒載法

方法二：采用壓縮預(yù)制裂紋恒載法，通過(guò)施加恒定的壓向載荷，在預(yù)制切口尖端產(chǎn)生一個(gè)小的預(yù)制裂紋，完成預(yù)制裂紋后，通過(guò)施加循環(huán)恒定拉向載荷，獲得裂紋擴(kuò)展門檻值和近門檻值數(shù)據(jù)。與傳統(tǒng)的拉向循環(huán)預(yù)制裂紋相比，壓縮預(yù)制裂紋方法會(huì)在裂紋尖端產(chǎn)生拉向的殘余應(yīng)力場(chǎng)，而不是會(huì)導(dǎo)致裂紋閉合的壓向殘余應(yīng)力場(chǎng)。這種應(yīng)力場(chǎng)下，可以避免各種因素造成的裂紋閉合效應(yīng)。

Aswath[9]等針對(duì)壓縮預(yù)制裂紋實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了有限元模擬，根據(jù)壓縮循環(huán)過(guò)程中的最大載荷確定了壓縮塑性區(qū)的尺寸，而當(dāng)裂紋前緣到達(dá)壓縮塑性區(qū)附近時(shí)，裂紋擴(kuò)展減慢最后停止，即最終裂紋長(zhǎng)度與壓縮塑性區(qū)和載荷的大小有關(guān)。

壓縮過(guò)程的最大應(yīng)力強(qiáng)度因子Kcp可由下式[10]確定：

為實(shí)現(xiàn)壓向循環(huán)載荷，可選擇試樣上下表面加載或者通過(guò)銷釘加載，有研究表明[11]，在a/W＜0.4時(shí)，C(T)試樣銷釘壓向加載法產(chǎn)生的應(yīng)力強(qiáng)度因子K會(huì)明顯大于ASTM E647中規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)拉向加載應(yīng)力強(qiáng)度因子K；而通過(guò)上下表面施加載荷與ASTM E647中規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)拉向載荷相比，在0.2≤a/W≤0.7范圍內(nèi)，應(yīng)力強(qiáng)度因子K的差異在0.5%以內(nèi)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，脆性材料不宜使用銷釘加載壓向循環(huán)載荷，容易使試樣優(yōu)先在銷孔缺陷處產(chǎn)生裂紋而不是在預(yù)制切口尖端產(chǎn)生。綜上所述，選擇試樣上下表面加載的方法，加工尺寸合適的金屬塊放置在U形夾具和C(T)試樣之間，保證在銷釘和孔接觸前完成壓向加載，此時(shí)的銷釘僅起到保護(hù)作用。加載示意圖如圖4所示。

圖4 壓向載荷頂部加載與拉向載荷銷釘加載

式中：ρc——裂紋尖端壓縮塑性區(qū)尺寸；

σ0——材料的流動(dòng)應(yīng)力強(qiáng)度，是材料抗拉強(qiáng)度σb和屈服強(qiáng)度σs的平均值；

Kcp——壓縮應(yīng)力強(qiáng)度因子，通過(guò)壓縮過(guò)程中恒定載荷最大值，利用ASTM E647中規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)C(T)試樣公式計(jì)算；

γ——CPCA法的裂紋擴(kuò)展準(zhǔn)則系數(shù)。

在循環(huán)壓縮載荷的作用下，隨著裂紋的擴(kuò)展，殘余應(yīng)力場(chǎng)逐漸減小，當(dāng)達(dá)到一個(gè)壓縮塑性區(qū)的大小時(shí)，壓縮預(yù)制所產(chǎn)生的應(yīng)力被完全消除，殘余應(yīng)力場(chǎng)逐漸消失。但Newman[13]等運(yùn)用彈塑性有限元方法，通過(guò)對(duì)比先進(jìn)行壓縮循環(huán)再進(jìn)行拉向恒定載荷加載（CPCA）和只進(jìn)行拉向恒定載荷加載，發(fā)現(xiàn)在R=0的條件下，只有裂紋擴(kuò)展至壓縮塑性區(qū)的1.5～2倍時(shí)，有壓縮預(yù)制裂紋和無(wú)壓縮預(yù)制裂紋的裂紋尖端張開位移（CTOD）和開裂載荷才會(huì)趨于一致，但考慮到裂紋表面粗糙度和氧化磨損顆粒等因素和其與殘余應(yīng)力場(chǎng)相互作用的影響，為了保守起見(jiàn)，建議至少選擇γ=2。

通過(guò)105次的壓縮循環(huán)，可以得到大約0.25 mm的預(yù)制裂紋，如圖5所示。

圖5 壓縮預(yù)制裂紋放大圖

隨后先根據(jù)經(jīng)驗(yàn)K值計(jì)算選擇較小力值，通過(guò)逐級(jí)加力的方法，對(duì)試樣施加循環(huán)拉向載荷，若2×106次循環(huán)后裂紋未發(fā)生明顯擴(kuò)展，則在原有載荷基礎(chǔ)上增加5%～10%，直至裂紋發(fā)生明顯擴(kuò)展。

3 結(jié)果與分析

圖6 R=0.1不同尺寸C(T)試樣LR法近門檻值區(qū)數(shù)據(jù)圖

圖7 降載法R=0.1時(shí)近門檻值區(qū)域數(shù)據(jù)擬合

圖8 R=0.1時(shí)降載法施加載荷與夾規(guī)COD張開位移關(guān)系

圖9 R=0.1不同尺寸C(T)試樣CPCA法近門檻值區(qū)數(shù)據(jù)圖

圖10 R=0.1時(shí)CPCA法施加載荷與夾規(guī)COD張開位移關(guān)系

圖11 R=0.1時(shí)Ti6Al4V兩種方法近門檻值區(qū)數(shù)據(jù)圖

基于上述實(shí)驗(yàn)，說(shuō)明CPCA方法較E647降載法存在一定優(yōu)勢(shì)，提供了一種簡(jiǎn)單準(zhǔn)確測(cè)量門檻值的方法，可以獲得與降載法小尺寸試樣近乎一致的門檻值和近門檻值區(qū)域數(shù)據(jù)，不存在試樣尺寸不同所引起的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)變化，符合疲勞斷裂力學(xué)中，給定應(yīng)力比下，裂紋擴(kuò)展速率與應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍相關(guān)的概念。

4 結(jié)束語(yǔ)

1)對(duì)于一些裂紋擴(kuò)展門檻值敏感材料，例如本文中的Ti6Al4V，傳統(tǒng)美標(biāo)ASTM E647中規(guī)定的降載法由于閉合效應(yīng)的作用，不同尺寸試樣會(huì)產(chǎn)生不同的門檻值，這就導(dǎo)致當(dāng)采用較大試樣時(shí)，會(huì)造成門檻值數(shù)值高估。

2)本文驗(yàn)證的壓縮預(yù)制裂紋恒載法CPCA，能通過(guò)壓縮預(yù)制產(chǎn)生的拉伸殘余應(yīng)力區(qū)，在拉伸塑性區(qū)的作用下使預(yù)制裂紋擴(kuò)展，再通過(guò)恒載逐級(jí)加力的方法，能在受拉伸殘余應(yīng)力的近門檻值區(qū)域抵消掉閉合力的影響。同時(shí)獲得恒載循環(huán)條件下，獲得近門檻值區(qū)域的數(shù)據(jù)，更加符合實(shí)際工況條件與疲勞斷裂力學(xué)理論。

3)對(duì)于某些脆性材料，不應(yīng)采用銷釘加載的方法施加壓縮循環(huán)載荷，應(yīng)選用試樣上下表面加載的方法，否則會(huì)優(yōu)先在銷孔附近產(chǎn)生裂紋，影響裂紋尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子。