数字散斑法研究材料应变疲劳寿命的实例分析

徐叶松

（无锡市计量测试中心，江苏 无锡 214000）

数字散斑法研究材料应变疲劳寿命的实例分析

徐叶松

（无锡市计量测试中心，江苏 无锡 214000）

机械零件由于长时间工作造成损坏，并且影响其使用寿命和使用效果。研究这次额及其部件的损坏及分析具体原因也显得极为重要。通过使用数字散斑相关法作为弹塑性变形的检测技术对材料的损伤和寿命做了相关的研究、探索。介绍了试验的设备及试件、试验方法、试验数据处理方法、数据处理举例及结果汇总。研究表明，材料的应变疲劳寿命与裂端的塑性应变相关。试验的研究方法和成果对日后相关研究及推测有很好的借鉴作用，为相关研究奠定了良好的基础。

数字散斑法；研究；材料；应变

机械零件在长时间的工作环境中由于疲劳累积损伤裂纹，造成突然断裂等失效的现象极为普遍。研究零件从裂纹成核至微裂纹萌生、再至宏观裂纹的亚临界扩展到零件最终断裂的全过程的材料行为，对建立材料损伤与疲劳寿命的联系及机械零件的可靠性控制极为重要。

研究表明，材料的应变疲劳寿命与裂端的塑性应变有关。因此，研究测量应变集中区域的弹塑性变形及其与疲劳循环次数的相关性，对于研究裂纹萌生期的材料损伤，预防零件中宏观裂纹的产生及扩展具有十分重要的意义。

笔者参与中航一集团沈阳发动机设计研究所的委托项目“发动机关键部件的损伤容限设计方法研究”中的部分研究工作，通过使用数字散斑相关法作为弹塑性变形的检测技术，研究获得了GH4169材料孔边名义的应力～应变关系与疲劳循环次数的相关性，研究方法及结果对于建立材料损伤与寿命的联系、探索寿命预测方法有很好的借鉴作用。

1 实验设备及试件

①力值加载设备为MTS809材料试验机，载荷读数精度为0.5%，摄像用空间分辨率为768×576像素的CCD；②试件的材料为 GH4169，其 σ0.2=1 245MPa；σb=1 460MPa，试件及尺寸如图1所示；③通过利用交替喷洒黑漆点和白漆点的方法，预先在试件孔周的表面上制成随机分布的白光散斑图，如图2所示。

2 实验方法

图1 试件尺寸图

图2 孔周白光散斑图

图3 位移矢量增量分布图

2.1 力值加载设定

①疲劳循环的按载荷谱0→Pmax→0的加载方式进行，最大载荷Pmax＝12 kN，疲劳试验频率为10Hz；②在一组疲劳循环（500次为一组）前、后分别进行一次缓慢加载循环，从而依靠CCD记录下各级载荷作用时孔周附件的白光散斑图。缓慢循环实验时，将最大载荷Pmax分成八级，从0载开始，逐级加载最大载荷Pmax，再逐级卸载至0载荷。一次缓慢循环实验大约需用2.5min。

缓慢循环实验时，每一级载荷Pi对应的孔边的名义应力σi按下式计算：

式中，δ——试件的厚度，

b——试件的宽度，

Ky=3——是名义应力集中系数。

2.2 实验具体步骤

①在疲劳试验前，首先进行缓慢循环实验，用显微摄录系统记录下各级载荷作用下孔周的白光散斑图；②疲劳循环500次Ni(Ni=0，1，2，3…)后停机，再进行缓慢循环实验，同样用显微摄录系统记录下每一个缓慢循环实验中各级载荷作用下的孔周白光散斑。

如此反复，试件在经过21 000多次疲劳循环后断裂破坏。

3 实验数据处理方法

①利用数字散斑相关技术，求出每次缓慢循环加载实验中每一级载荷作用下的孔周位移场，并采用逐点最小二乘法，对所得位移场进行滤波处理；②求出最大载荷Pmax作用下孔周的纵向位移分量V（x,y）的等值线分布图以及纵向应变分量εy（x,y）的等值线分布图；③利用所求位移分量Vi（x,y）的分布，找出孔边所在纵剖面（y方向，也即拉伸方向）内各像素点上的纵向位移分量Vi（x0,y）；④利用最小二乘法对该剖面内离散的位移分量Vi（x0,y）进行曲线拟合，得到该剖面内位移分量的解析表达式V（x0,y）；⑤将位移分量V（x0,y）对y求导，得到该剖面内正应变εy的解析表达式，并求出孔中心所在横向剖面内的孔边的应变值εy；⑥按公式（1）求出孔边应力名义 σi；⑦画出孔边名义应力 σi～εi的关系曲线。

图4 纵向位移分量V(x,y)的增量等值线分布图

图5 纵图向应变分量εy(x,y)增量值分布图

图6 纵向剖面内的纵向位移分量V(x0,y)的增量值线分布图增量分布及其拟合曲线

图7 疲劳试验前第N0次关系曲线

4 数据处理举例及结果汇总

图3和图4分别是疲劳循环10 000次、第N20次缓慢循环实验时，最大载荷Pmax作用下，相对疲劳循环10 000次零载时，孔周附近的位移矢量增量分布图和纵向位移分量V（x,y）的增量等值线分布图。

图8 第N4次～第N20次的关系曲线

图9 第N24次～第N40次的关系曲线

图5和图6分别是疲劳循环10 000次、第N20次缓慢循环实验时，最大载荷Pmax作用下，相对疲劳循环10 000次零载时，孔周附近纵向应变分量εy（x,y）的增量等值线分布图和孔边所在纵向剖面内各像素点上的纵向位移分量V（x0,y）的增量及其拟合曲线。

疲劳循环10 000次、第N20次缓慢循环实验时，最大载荷Pmax作用下，相对疲劳循环10 000次零载时，孔边纵向剖面位移分量V(x0,y)的增量及应变分量εy的增量解析表达式为：

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

=0.000 261y-0.000 184y+0.005 226

对每个疲劳循环的结果进行汇总，其中图7是疲劳试验前进行的第N0次缓慢循环实验的名义应力～应变曲线；图8中从左向右5条曲线分别是疲劳试验后进行的缓慢循环实验N4、N8、N12、N16和N20的名义应力～应变曲线。图9中从左向右5条曲线分别是疲劳试验后进行的缓慢循环实验N24、N28、N32、N36和N40的名义应力～应变曲线。相临每两个名义应力～应变曲线之间的疲劳循环次数为2 000次。

5 实验结论

由上图组所示孔边名义应力～应变关系随疲劳循环次数的关系曲线可以发现如下现象。

①疲劳试验前的第N0次缓慢循环实验在孔边造成了很大的残余性应变，大约在0.01左右。②疲劳试验中，第N4次～第N20次缓慢循环实验，在孔边产生的残余应变增量极小。加上疲劳试验在孔边产生的残余应变增量也不大，所以这些名义应力～应变关系曲线几乎重合，难以分辨，甚至还有交叉。③一次缓慢循环实验造成的孔边残余应变远远大于疲劳试验一个周期造成的残余应变，缓慢加载(准静态)会给试件造成更大的损伤。④第N24次～第N40次(第N24次～第N36次)缓慢循环实验，在孔边产生了越来越大的残余应变增量，这表明孔边材料的疲劳损伤已经非常严重，疲劳寿命已经不多了。

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

（编辑：王静）