航空材料裂纹长度测量方法

裂纹长度的大小与构件疲劳寿命直接相关，是评价和表征材料疲劳裂纹扩展行为的核心参数。因此，精确测量裂纹长度是疲劳裂纹扩展试验的关键要求之一。随着疲劳断裂技术和数字技术的发展，目前已研究发展出了多种裂纹长度监测技术，并获得了广泛应用。这些裂纹监测技术主要包括目测法、柔度法（COD）和电位法（包括直流电位法和交流电位法）。

1.目测法

目测法是目前使用最多的裂纹长度测量方法，具有简便、直观和成本低的特点。其操作方法很简单，只需将两台可移动式读数显微镜（放大倍数在30～50倍之间）分别对准试样两表面的裂纹，调焦跟读便可测得裂纹长度。其缺点是：不适合在腐蚀气体介质和高/低温环境中测量；对较厚试样，所测结果不能代表裂纹最前缘的实际裂纹长度，需进行裂纹曲率修正；不能实现自动连续检测，试验人员劳动强度较大。

2.柔度法

柔度法也称裂纹张开位移法或COD法。其基本原理是：根据柔度等效理论和线弹性断裂力学原理，推导得到标准试样的量纲一的柔度（EBV）/P与归一化裂纹长度a/W的关系式，即

a/W=f（EBV/P） （14-13）

式中 E——材料弹性模量；

B——试样厚度；

W——试样宽度；

V——试样上的测量点位移；

P——施加的载荷值。

在疲劳裂纹扩展试验正式开始前，先将裂纹张开位移规（也称位移规或COD规）安装在试样机械缺口嘴的楔形刀口上（见图14-31）。然后在试验进行过程中，随着裂纹向前扩展，位移规所测的张开位移也有所变化。通过计算机数据采集系统，采集一个或多个载荷循环过程中的力和位移数据，并实时计算，即可获得当前循环数下的裂纹长度。为了排除闭合效应和力反向带来的测量误差，需选取0.5P_max～0.95P_max两点间的直线段计算P-V曲线的斜率。

图14-31 利用COD规测量C（T）试样和SEN（T）试样的裂纹嘴张开位移

柔度法的特点是：测量精度高；检测过程自动连续，便于实现力学参量的闭环控制，如恒K控制、降K控制；检测的裂纹长度能够代表裂纹前缘的平均值；可用于高/低温和腐蚀环境下疲劳裂纹长度的测量，但必须备有高/低温位移规或腐蚀位移规。(www.xing528.com)

3.电位法

当电流通过含裂纹试样时，其电流场是试样几何（尤其是裂纹尺寸）的函数。在恒定电流下，随着裂纹向前扩展，裂纹尺寸不断增加，裂纹面的电位也会随之增加。对于不同的标准试样，裂纹长度与电位的关系可通过解析推导或数值分析得到。这些关系一般表达为量纲一的电位（V/V_r）与裂纹长度a的函数形式，即

a=f（V/V_r，a_r） （14-14）

式中 V——测量电压值；

V_r——参考裂纹电位；

a_r——与V_r对应的参考裂纹长度或缺口尺寸。

例如，对M（T）试样，一般采用Johnson解析式，即

式中 W——试样宽度；

Y₀——从裂纹面到电位测量点的距离。

电位法的硬件装置一般由高精度的纳伏表、恒流源、低噪声高稳定性的放大器、A-D转换器和计算机系统等组成。直流电位法的工作原理示意图如图14-32所示。软件系统由MTS电位法裂纹长度监测软件与MTS数字控制系统组成。

图14-32 直流电位法的工作原理示意图

电位法的特点是：测量精度高；检测过程自动连续，便于实现力学参量的闭环控制；检测的裂纹长度能够代表裂纹前缘的平均值；适应于室、高温环境下测量，无须配备精密的高温COD规；特别适合高导电率、电位信号小的铝合金和钛合金的疲劳裂纹长度监测。在国内，北京航空材料研究院采用直流电位法成功测定了铝合金和钛合金在高温（150～250℃）下的疲劳裂纹扩展速率。图14-33所示为电位法和目测法监测的裂纹长度的对比结果。由图14-33可见，两种方法所测的裂纹长度吻合得很好。显然，相比于目测法，电位法节省了人力成本，且具备足够的测量精度。