D0I:10.13374/i.issn1001053x.1997.01.026 第19期第1卷 北京科技大学学报 VoL19 No.1 1997年2月 Journal of University of Science and Technology Beijing Feb.1997 计算机控制测定门坎值的新方法 王红缨唐俊武王建国徐世平 北京科技大学新金属材料国家重点实验室北京100083 摘要阐述了用新型AMSLER高频疲劳试验机,结合计算机控制测定材料门槛值△K,的新方 法.该方法通过在恒应力比R下疲劳一定周次后,频率下降不超过某一特定值,从而得到门槛值 △Kb' 关键词计算机控制,门槛值,频率,裂纹 中图分类号TB302.3 门坎值△K,是断裂韧性的重要材料性能,常用的测量方法是α一N曲线法和降载法,这 2种测量方法测试时间均较长,既费时又麻烦,本文在门坎值△K,的测量上做了新的尝试,用 新型AMSLER高频疲劳机,给合计算机控制可在较短时间内测得材料的门坎值△K,· 1试验原理及方法 该方法是基于高频振动的工作原理.高频机的振动频率是由试件的刚度和加载质量决定 的,即: (1) 式中,c一试件刚度;m-加载质量. 当试件有裂纹扩展时,试件刚度降低,实验频率也相应下降.若试件上裂纹不扩展,那么 试件的刚度和由此决定的实验频率也将保持不变.因此,通过观察频率的变化,可知道试件上 裂纹是否扩展,AMSLER高频疲劳试验机计算机控制可实现频率监控,该试验机实现每循环 一给定次数,计算机将根据频率的下降自动降低载荷,当频率的下降低于某一设定值时,可认 为试件上的裂纹不再扩展,试验机自动停机,并将此时的各试验参数自动记录下来, 门坎值△K,的测量实际上就是找到疲劳2×10次后,裂纹扩展不超过0.2mm时的△K 值.此裂纹扩展量,必对应一频率下降值.若此频率下降值找到,并设置到软件程序中,则可测 得门坎值△K,·因此,测量的关键问题是得到裂纹扩展与频率下降之间的关系. 将式(1)经下列变换: √品=Vw7g c 1996-09-22收稿 第一作者女32岁高级工程师 硕士
第 期 第 卷 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 计算机控制测 定 门坎值的新方法 王 红缨 唐俊武 王建 国 徐世平 北京 科技 大学新金 属 材料 国 家重点实验室 北 京 摘要 阐述 了 用新 型 枷 高频疲 劳试验机 , 结合计算机控 制测定 材料 门槛值 “ 山的新方 法 该方 法 通 过 在恒应 力 比 下 疲 劳一 定周 次后 , 频率下 降不 超过某一特定值 , 从而 得到 门槛值 △凡 · 关健词 计算机控制 , 门槛值 , 频率 , 裂纹 中图分类号 门坎 值 △犬宙是 断裂 韧性 的重要 材 料性 能 常用 的测 量方 法是 。 一 曲线法和 降载法 · 这 种 测量 方法 测 试 时 间均较 长 , 既费 时又 麻烦 · 本 文在 门坎 值 △凡 的测量 上做 了新 的尝试 , 用 新 型 高频 疲 劳机 , 给合计算机控 制可 在 较短 时 间 内测 得材料 的 门坎 值 △凡 试验原理及方法 该方 法是 基 于 高频 振 动 的工作 原理 高频 机 的振 动频率是 由试件 的 刚度 和加载质量决定 的 , 即 介 老‘ ‘ 瘾, ” 式 中 , 一 试件 刚度 一 加 载质量 当试件 有裂 纹 扩 展 时 , 试件 刚度 降低 , 实 验 频 率 也相 应 下 降 若 试件上 裂 纹不 扩展 , 那 么 试件 的 刚度 和 由此决定 的实验频 率也将保持不 变 因此 , 通 过观 察频率 的变化 , 可知道试件上 裂纹是 否 扩展 , 高频疲 劳试验 机 计算机控制可 实现频 率监 控 该试验机实现每循 环 一 给定 次数 , 计算机将根 据频率 的下 降 自动 降低 载荷 , 当频率 的下 降低 于某 一设定值 时 , 可 认 为试件上 的裂 纹不再 扩展 , 试验机 自动停机 , 并将此 时的各试验参数 自动记 录下来 门坎 值 △犬山 的测 量 实 际上 就是 找到疲 劳 ‘ 护 次后 , 裂纹 扩展 不超 过 时的 △ 值 此裂 纹扩 展量 , 必 对应一频 率下 降值 若此 频率下 降值 找到 , 并设置 到 软件 程 序 中 , 则 可 测 得 门坎 值 △气 · 因此 , 测量 的关键 问题是 得 到 裂纹 扩展 与频 率下 降之 间的关系 · 将式 经 下 列 变换 福 一 橇 一 德 一 渡 一 一 收稿 第一作者 女 犯岁 高级 工 程 师 硕 士 DOI :10.13374/j .issn1001-053x.1997.01.026
Vol.19 No.1 王红缨等:计算机控制测定门坎值的新方法 ·123· 可得频率f的另一表达式: f=2元Vδ (2) 式中,w一高频疲劳机上砝码质量;g一重力常数;δ。一试件的变形量. 将式(2)微分,整理后得: g=() (3) 对于有裂纹的试样,试样裂纹a和变形量c有下列关系: =H·吕 De (4) 式中,a-裂纹长度;H-a的函数,由柔度曲线确定. 将式(4)代人式(3),整理后得: d=- f.d№ a (5) 式(⑤)即为裂纹增长与频率下降之间的关系. 对于三点弯曲试样,若裂纹长度a为10mm,a/w为0.5,则H约为2.5,且对于一般的三 点弯曲试样,高频机的加载频率一般在100Hz左右;若裂纹增长0.2mm,则对应的频率下降 为df=2.5Hz,此频率下降量是对应于疲劳2×10次的,若疲劳次数为1×105次,则对应于 门坎值的频率下降应为df=0.125Hz.它说明若试样经受疲劳1×10次后,试验机的频率下 降不超过0.125Hz,即可认为此时的△K即为门坎值△K.· 测量时选取频率下降量为0.1Hz,2次频率比较的循环间隔数为1×105次,由前面分析 可知,这样测得的门坎值精度是足够的.将以上2个参数选定好输入程序后,还需选定合适的 初始载荷及应力比R,应力比R可根据实际需要来确定,初始载荷若选取过大,则裂纹扩展太 快,将测不出门坎值;初始载荷若选取过低,2个疲劳循环间隔后,频率下降仍不超过设定值, 则试验机将自动停机,显示“载荷选取太低”的信息,此时就需增大初始载荷,直至试验过程至 少能自动降载1~2级后再自动停机,用此时试验机自动记录下的参数得到的△K即为实际 测得的门坎值△Kh· 2试验结果及验证 用此方法对40Cr材料进行了应力比R=0.5时的门坎值测试,并对测试结果进行了验 证.试样选用厚度B为10mm,高度w为20mm,跨距s为4w的标准三点弯曲试样.在试样中 间位置线切割一长度为8mm的初始裂纹.每根试样在试验前均预制0.5~1.5mm的裂纹. 试验结果列于表1,其中,门坎值△K计算参考文献[2] 由表1试验结果可知,3根试件所测同一材料门坎值相差不超过10%,且在所得门坎值 对应的载荷下疲劳2×10后,裂纹增长(a2-a,)均小于0.2mm,说明所得结果是符合要求 的,此种测试方法是可行的.且测得一个门坎值所需时间仅为1~2h,使门坎值的测试时间 大为缩短,极大地提高了试验效率
王 红 缨等 计算机控 制测 定 门坎 值 的新方法 可得 频率 的另 一 表 达式 式 中 , 一高频疲 劳机上祛码质 量 一重 力常数 。 一试件 的变形 量 将式 微分 , 整 理 后 得 叮 耳 丛、。 对于 有 裂 纹 的试样 , 试样 裂 纹 和 变 形量 有下列 关系 。 , , 下尸 二尸 。 式 中 , 一 裂 纹 长度 一 的 函数 , 由柔 度 曲线确定 将式 代人 式 , 整理后 得 二 一 二犷 ’ 下子 ‘ 式 即 为裂 纹 增 长 与频 率下 降之 间 的关系 对于 三 点弯曲试样 , 若裂 纹 长度 为 , 为 , 则 约为 , 且 对于 一般 的三 点 弯 曲试样 , 高频 机 的加 载 频 率 一 般 在 左 右 若裂 纹 增 长 」 , 则 对应 的频 率下 降 为 , 此 频 率下 降量是 对应 于疲 劳 次 的 , 若疲 劳次数 为 次 , 则 对应于 门坎 值 的频 率下 降应 为 ’ 它 说 明若试样 经受疲 劳 , 次后 , 试验机 的频率下 降不超 过 , 即可 认 为此 时 的 “ 即为 门坎 值 △凡 测量 时选取 频 率下 降量 为 , 次频 率 比较 的循 环 间隔数为 次 , 由前面分析 可 知 , 这样测 得 的 门坎 值精度是 足够 的 将 以 上 个参数 选定好输人程 序后 , 还需 选定合适 的 初始 载荷及 应 力 比 应力 比 可 根 据 实 际需要 来 确定 初始 载荷 若选取过大 , 则裂 纹扩 展太 快 , 将测 不 出 门坎 值 初 始载荷 若 选取 过 低 , 个疲 劳循 环 间隔后 , 频 率下 降仍不 超 过 设定值 , 则 试验机将 自动停 机 , 显示 “ 载荷 选取 太低 ” 的信息 , 此 时就需 增大 初始 载荷 , 直 至 试验 过程 至 少 能 自动 降载 一 级 后再 自动停 机 , 用此 时试验机 自动记 录下 的参数得 到 的 △尤 即为实 际 测 得 的 门坎 值 △凡 · 试验结果及验证 用 此 方 法 对 材 料 进 行 了应 力 比 二 时 的 门坎 值测 试 , 并 对测 试 结 果 进 行 了验 证 试样 选用厚度 为 , 高度 为 , 跨距 为 的标 准三点 弯曲试样 在 试样 中 间位 置 线 切 割 一 长度 为 幻 的初 始 裂 纹 每 根 试 样 在 试验 前均 预制 一 。 的裂 纹 试验结果 列 于 表 , 其 中 , 门坎 值 △气 计算参考文献 〔 · 由表 试验结 果 可 知 , 根 试 件所 测 同一 材料 门坎 值相 差 不超 过 , 且在 所得 门坎 值 对应 的载 荷下 疲 劳 ‘ ‘ 后 , 裂 纹 增 长 一 。 均小 于 , 说 明所 得 结果 是 符 合要 求 的 , 此 种 测 试 方 法 是 可 行 的 且 测 得 一 个 门坎 值 所需 时 间仅为 一 , 使 门坎 值的测 试 时 间 大 为缩短 , 极 大地 提 高 了试验效率
·124· 北京科技大学学报 1997年第1期 表1原始数据及测试结果 B/mm w/mm do/mm Pim/kN Pomax/kN R N/10 a1/mm AKo/MPa'm5 da/mm (az-a )/mm 1 10.0019.928.566 1.20 0.72 0.5 个 10.046 2.75 10.205 0.141 2 10.0219.968.990 1.00 0.90 0.5 3 9.163 2.98 9.280 0.117 310.0219.969.359 1.00 0.850.5 39.378 2.91 9.378 0 注:a。一初始裂纹:P1-初始最大载荷;P~最终最大载荷;a,-终止裂纹a2一验证后的裂纹长度. 3结论 使用新型AMSLER高频疲劳试验机,在计算机控制下,通过控制共振频率的下降量,可 以在1~2h内得到材料的门坎值. 参考文献 1崔振源.断裂韧性测试原理和方法.上海:上海科学技术出版社,1981.26 2褚武扬.断裂韧性测试.北京:科学出版社,1979.69 New Method of Determinning the Threshold Value by Computer Control Wang Hongying Tang Junwu Wang Jianguo Xu Shiping State Key Laboratory of Advanced Metals and Materials,UST Beijing,Beijing 100083,China ABSTRACT A new method of determinning the threshold value AK on a new type AMSLER fatigue test system by computer control is given.By using this method,AK can be obtained after the material has been fatigued a given cycles under constant stress ratio R,on condition that the decreasing of frequency is less than a certain value. KEY WORDS computer control,threshold value,frequency,crack
北 京 科 技 大 学 学 报 年 第 期 表 原始数据及测试结果 试样 刀八刀 ” ,几 入 尸 州 州 尺 解 , 周 曲 △兀以 · , 一 , 厄 以气 ,︸门,、 ︶‘ … ,‘ 自 注 。 一 初始裂纹 尸 一 初始最大载荷 只 一 最终最大载荷 。 一 终止裂纹 一 验证后 的裂纹长度 结论 使用 新 型 高频疲 劳试 验 机 , 在 计算机控 制下 , 通 过 控制共 振频率 的下 降量 , 可 以在 一 内得 到 材料 的 门坎 值 参 考 文 献 崔振源 断裂韧性测 试原理和方法 上 海 上海科学技术 出版社 , 褚武扬 断裂韧性测 试 北京 科学 出版社 , 环几 舒 环 , , 翻 , △ 宙 哪 , 奴山 , , ,