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 ， ， ，
