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1、2009年10月材料开发与应用75文章编号:10031545(2009)05007505表面裂纹长度的测量方法张利娟,张亚军,高灵清(中国船舶重工集团公司第七二五研究所,河南洛阳471039)摘要:表面裂纹长度的精确测量是准确获得表面裂纹扩展速率进而对材料或构件进行剩余寿命评估的基础和关键技术问题。本文将表面裂纹长度的测量方法归类为直读法、柔度法、电位法、探伤法和光学法,并对每种方法进行了介绍,比较其优缺点及适用范围,以便在实际工作中选择应用。关键词:表面裂纹长度;测量方法;直读法;柔度法;电位法;探伤法;光学法中图分类号:TB1
2、15文献标识码:A表面裂纹是工程构件中常见的缺陷,很多穿即属于离位测量方法,它只在试样断面上测量裂透裂纹也可以追溯为由表面裂纹扩展而成。因纹的最终长度,所以数据相对比较准确。复型薄此在材料的疲劳裂纹扩展研究领域,为了确保具膜法则是一种间接的离位测量方法:将醋酸纤维有表面裂纹的材料或构件在使用过程中不会发素薄膜每隔一定周期在待测试样表面粘贴一张,生安全事故,必须可靠地确定其在疲劳条件下表干后取下,在显微镜下对薄膜进行观察就可得到面裂纹扩展速率dc/dN,它是进行剩余寿命评估裂纹长度。此方法成本很低,可准确检测几个微[3]的一个重要的力学特性指标。精确测
3、量表面裂米的小裂纹,并能记录多条裂纹的起始位置。纹长度是获得dc/dN的关键之一,所以对表面裂缺点是每个试样至少要复20多个膜才能准确确纹长度测量技术的研究始终是人们关注的内定裂纹长度与循环次数的关系,还要逐个对每个[1,2]容,越来越多的测量手段得到应用。本文将膜所记录的裂纹长度进行测量,因而劳动强度表面裂纹长度测量方法归类为直读法、柔度法、大;某些材料的疲劳寿命还因做复型受到影响,[4]电位法、探伤法及光学法,并对每种方法进行简几乎是不做复型的2倍。单介绍,比较其优缺点及适用范围,以便于在实在位测量通过设计一些夹具将读数显微镜际工作中选择应用。固定在疲劳
4、试验机上,不用中断试验就可直接测量裂纹长度。试验过程中,随着载荷的变化,表1直读法面裂纹会一张一合,可准确判断裂纹尖端位置,但是测量精度会受到试验机振动的影响。长焦在光学显微镜下直接读取裂纹长度的方法称显微镜则为远距离在位观测提供了一种有利的[5]为直读法。试验时,需要将观察面抛光成镜面,以工具。减小因表面粗糙造成的读数误差。直读法按观察直读法虽不能实现自动化检测,且由于雾气位置的不同,可分为离位测量法和在位测量法。或腐蚀产物的影响不便用于高温及腐蚀环境中;离位测量即疲劳试验与裂纹长度测量分离但由于其简单、直观、成本低,目前还是疲劳试验独立进行:每循环一定
5、周期,将试样从试验机上中最常用的方法之一。卸下,利用显微镜对裂纹长度进行读数。此方法需要停机中断试验,频繁装卸试样,费时且劳动2柔度法强度大;卸载后裂纹闭合,使得裂纹尖端在显微镜下不易准确测量。文献中介绍的金相剖面法材料或构件在外载作用下会产生一定的变收稿日期:2009-03-24作者简介:张利娟,1982年生,女,硕士研究生。76材料开发与应用2009年10月形,变形量与对应载荷的比值称为柔度。当材料或构件产生裂纹或裂纹扩展时,其柔度也会发生3电位法变化,其它条件不变时,柔度的变化可以用来检测裂纹长度,柔度法测量表面裂纹长度就是根据电
6、位法是基于金属构件的导电性来测量裂[6]这个原理来实现的。纹长度的。电流通过金属构件时产生电位差:U柔度法一般利用裂纹张开位移来间接测量=IR。电流I恒定时,电位差U仅取决于构件的裂纹长度,因而有些文献也称其为刀口张开位移电阻R,当构件裂纹扩展时,其R会发生变化,导法。通过线弹性断裂力学得出其计算裂纹长度致U也发生变化。通过事先标定的电位差与裂[7]的公式为:纹长度的对应关系,可测量表面裂纹长度。电位23na/W=C0+C1U+C2U+C3U+CnU法按激励源类型的不同,分为直流法和交流法。式中,a!!!有效裂纹长度,mm;直流法使用直流电流,装置比较简单,
7、标定[10]W!!!试样宽度,mm;时可直接使用Johnson公式;但不可避免地产1/2生热漂移和放大器的直流漂移等问题,对工频干U=1/∀1+(BEV/P)#;扰和噪声的抑制能力也较差,工作环境要求较BEV/P!!!无量纲柔度;[11]严,在试验过程中要特别注意绝缘问题。交B!!!试样的有效厚度,mm;流法可采取一些技术手段解决高低频干扰问题,E!!!试样材料的弹性模量,MPa;信噪比较好;但装置较复杂,技术难度较大。再V!!!COD规张开位移,mm;者,其标定比较繁琐,虽然使用电磁场有限元法P!!!试验载荷,N。[12]和电磁场边界元法可以提高效率,但计
8、算量使用柔度法进行裂纹长度测量时,首先应求仍比直流法
