航空材料力学性能检测：降K试验及其实施步骤

在保持应力比R不变的条件下，手动或自动控制进行降K试验。降K过程的设计应考虑疲劳裂纹扩展增量与降力参数的范围，其最佳值取决于材料、R及试样宽度。推荐三种降K方法：手动逐级降力法、恒力控制的K梯度法、恒K控制的K梯度法。

1.手动逐级降力法

手动逐级降力法示意图如图14-38所示，整个降力过程保持R恒定不变。一般要求降力百分比R₁=5%～10%，裂纹扩展增量Δa=0.25～0.5mm。其中R₁定义为

式中 P_i-1——前一级载荷的最大力值；

P_i——当前载荷的最大力值。

图14-38 手动逐级降力法示意图

如果载荷下降过快或Δa较小，裂纹尖端将很难穿越前一级高载荷产生的塑性区尺寸r_y[r_y可按式（14-25）计算]，导致da/dN突降，甚至完全停止扩展。反之，如果载荷下降太慢或Δa较大，则裂纹表面容易在潮湿空气中发生氧化，引起氧化物诱发的裂纹闭合效应，使得ΔK_th明显增大，而且试验周期也很长。因此，需要合理地选择R₁和Δa。其选取原则为：需保证裂尖穿越上一级载荷产生的塑性区尺寸，一般要求每级载荷水平下的Δa至少超过r_p的4～6倍。推荐的R₁和Δa组合为：R₁=10%时，Δa=0.5mm；R₁=5%时，Δa=0.25mm。

实际试验中，可根据材料的da/dN-ΔK曲线斜率和经验确定R₁和Δa，例如，对da/dN-ΔK曲线较陡的材料，在近门槛值附近（da/dN=1×10^-6～1×10^-7mm/循环），可选择R₁=3%～5%，Δa=0.25～0.35mm。

2.恒力控制的K梯度法

类似于手动逐级降力法，恒力控制的K梯度法也是在保持R恒定不变的条件下逐级降载，且每级载荷的最大力值保持恒定，其示意图如图14-39所示。不同之处是恒力控制的K梯度法先由式（14-26）得到ΔK值并进而计算出降载量ΔP，而手动逐级降力法则是根据经验确定ΔP。

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式中 ΔK₀、a₀——降载开始时的初始载荷应力强度因子幅和对应的裂纹长度；

C——规范化K梯度，定义为K随裂纹长度增加而变化的相对变化率。

C的计算式为

C值为正，表示增K；C值为负，表示降K。试验过程中C值始终保持恒定。

图14-39 恒力控制的K梯度法示意图

由式（14-26）可见，适当地选取C值便可达到合理降载的目的。如果C的绝对值太小，降载级数多，试验周期过长（一般应以da/dN=10^-7～10^-6mm/循环之间有5～10对数据点为宜）。如果C的绝对值太大，降载级数少，不利于消除延滞效应，易于引起门槛值数据反常。标准规定选取C=-0.05～-0.15mm^-1。一般对于过载迟滞效应较敏感的材料、R较小或门槛值附近da/dN-ΔK曲线斜率较大的情况，应选择较小的降K速率（即绝对值较小的负向C值）；反之，则可选择较大的降K速率（即绝对值较大的负向C值）。确定ΔP后，便可根据手动逐级降力法中裂纹扩展增量Δa与降载百分比R₁的关系来选取适当的Δa值。

3.恒K控制的K梯度法

恒K控制的K梯度法示意图如图14-40所示。该方法是通过调节每级力值的大小，来保证降载后每级的应力强度因子幅值ΔK恒定。ΔK同样按式（14-26）计算，推荐规范化K梯度C=-0.05～-0.2mm^-1。终止裂纹长度以控制K值稳定并达到相应的准确度要求为限。该方法不能通过手动实现降载，只能通过计算机进行自动控制，以期有效地缩短试验调期。同样，裂纹扩展增量Δa和R₁的对应关系也按手动逐级降力法选取。

图14-40 恒K控制的K梯度法示意图