断裂力学试验

断裂力学试验包括断裂韧性试验和疲劳裂纹扩展试验，这些试验对于安全设计和运行具有重要意义。

• 材料的断裂韧性试验常用于测试材料在失效之前承受静载荷的能力。

• 材料的耐久性则可以通过疲劳裂纹扩展速率来衡量，在疲劳裂纹扩展过程中，循环载荷会使裂纹随着时间的推移而增长。

两种裂纹

人们通常所指的裂纹大都是贯穿整个零部件的裂纹缺陷，此类缺陷的评估方法已经有很多了，并且其中一部分可称得上是家喻户晓。

另一类裂纹是所谓的表面裂纹，这种裂纹不会穿透部件的整个厚度。这种裂纹的评估需求在航空航天工业中是最为普遍的，而其中又以轻质结构的检测评估最为重要。究其原因，是因为这些结构发生断裂的临界缺陷尺寸相对较小。涉及到表面裂纹的典型情况包括但不限于：高温下在发动机涡轮叶片中生长的裂纹，或从结构铆钉孔生长的裂纹等。

表面裂纹测试中的挑战

当进行断裂力学测试时，应根据测试类型选择不同试验方法，如果不需要，可以采用施加的循环计数或施加的载荷函数来测量裂纹的尺寸。例如，ASTM标准E1820-17a要求测量裂缝尺寸，这是确定非线性断裂韧性的常用测试方法。但是，表面裂纹测试具有独特的挑战性：对于形状不断变化的裂纹，没有方便快捷的方法可以来监测表面缺陷中的裂纹大小。

大多数的表面裂纹都具有不断变化的纵横比，它将最大裂纹深度与在表面上测量的（可观察到的）裂纹长度相关联。这是一种典型的情况，因为裂纹扩展的驱动力，应力强度系数K是零件几何形状以及所施加载荷的函数。在断裂力学中，系数K比单独应力更能反映裂纹在载荷作用下的行为，因为K能够将应力和裂纹尺寸的信息反映到一个参数中。值得注意的是，有时候部件相对于裂纹而言过小会导致裂纹的行为不会像位于无限大小的样本中那样。在无限样本中，表面裂纹会生长成半圆形并保持不变，但在有限大小的样本中，表面裂纹就不是这样了。换句话说，加载边界条件会影响到表面裂纹的发展和演化。

新工具助力表面裂纹的测试

为了克服这些限制，美国国家航空航天局发布了一种交互式工具，该工具能够无损地监测有限测试样本中在张力或弯曲条件下生长的任意形状的半椭圆表面裂纹的瞬时尺寸。该软件被称作为表面裂纹电位差（SCPD，Surface Crack Potential Difference），并于2010年被授予美国宇航局马歇尔太空飞行中心年度软件奖。

表面裂纹截面示意图，显示了初始加工缺口、预裂纹和测试区域。预裂纹通常是给定测试的目标尺寸。

该工具将用于预测裂纹演变的模型与用于实时监测裂纹尺寸的模型相结合，即Newman-Raj模型与电位差法（PD）相结合。

电位差法采用的是基本的物理学原理，且操作方式非常简单。恒流电源提供通过金属样品的电流，连接到样品裂纹两侧的探针监测裂纹两端的电位差或电压，随着裂纹的增长，电流路径的电阻会有所增加。这是因为由于裂纹尺寸增加，电流绕过裂纹的剩余面积会有所减小，由于电流保持恒定，所以电压增加。这种电压增加可以作为自变量测量，并用于与裂纹尺寸相关联。对于许多贯穿试样整个厚度的裂纹，已经确定了试件表面探针间电压的一些数学关联方程。最著名的就是约翰逊方程，适用于所谓的中间张力，也适用于某些情况下的紧张张力样本。最后，还必须开发一种称为校准的数学关系，以将测得的电位差（PD）的经验变化与裂纹增长联系起来。这种校准与材料无关，而应该与裂纹的几何形状和局部放电结构有关。

表面裂纹电位差SPCD软件有助于准确、可重复地生成所需的表面裂纹尺寸以便随后进行疲劳或断裂测试。并且，该软件还可以允许用户通过自动计算机控制将任何所需的裂纹扩展驱动力传递到包含不断变化的表面裂纹的样品上。因为该工具允许直接测量表面裂纹扩展速率，所以它消除了表面裂纹尺寸和形状将以等同于穿透裂纹的速率生长的假设。这些功能可生成具有更高完整性的数据材料，从而实现更精确的表面裂纹损伤容限评估。

使用模型时需要输入样品尺寸，表面缺陷的初始尺寸和纵横比，加载模式，疲劳裂纹扩展参数以及电位差仪器的配置等。而该程序的输出则是预期的裂纹演变，以及由此产生的裂纹深度与给定模型的测量信号校准等信息。

综上所述，假定初始表面缺陷在拉伸或弯曲过程中加载，利用有限试样宽度修正系数更新表面裂纹的Newman-Raju应力强度因子方程以确定沿裂纹边界的应力强度，就可以根据计算得到的裂纹前沿的应力强度值，进而预测裂纹表面形状的变化。该模型对裂纹扩展进行了数值化计算，假定裂纹扩展在深度上受较小增量的驱动，因而从裂纹形状的演化可以确定电压与裂纹尺寸的关系。

这种方法能够改进损伤容限分析，从而提高包含表面缺陷的断裂关键结构的整体安全性。

译者：Vince

译自：qualitymag

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