【航空工业行业标准(HB)】 金属材料在含水介质中疲劳裂纹扩展速率试验方法

中华人民共和国航空航天工业部航空工业标准
HB 6626-92 ~
金属材料在含水介质中疲劳裂纹扩展速率试验方法
1992-10--04发布
中华人民共和国航空航天工业部1992—1201实施
中华人民共和国航空航天工业部航空工业标准
HB 6626-92 ~
金属材料在含水介质中疲劳裂纹扩展速率试验方法
1992-10--04发布
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中华人民共和国航空航天工业部航空工业标准金属材料在含水介质中疲劳裂纹扩展速率试验方法
1主题内容与适用范围
HB 6626--92
本标准规定了金属材料在含水介质中疲劳裂纹扩展速率试验方法的术语和定义、试样、试验装置、试验程序、试验结果的处理和计算方法。本标准适用于在含水介质中，用紧读拉伸C（T）、WOL试样或中心裂纹拉伸M（T）试样测定金属材料大于10-5mm/cycle的恒载幅疲劳裂纹扩展速率。测定小于10-5mm/cycle疲劳裂纹扩展速率需参照GB6398中有关条款。本标准可采用规定以外的试样，但必须有适用的标定的应力强度因子。本标准对试验材料的厚度和强度不作限制，但是要求试样厚度足以免除屈曲，同时具有足够的平面尺寸，以使试验中保持弹性为主。本标准同时提供了附录A《测定裂纹长度的柔度法》（补充件），附录B《推荐数据处理程序》（补充件），附录（C《电化学测量的方法和规定》（参考件），附录D《人造海水化学成分》（参考件）和附录E《推荐的试验数据有效性检验程序》参考件）。2引用标准
GB6398
金属材料疲劳裂纹扩展速率试验方法GB10123金属腐蚀及防护术语和定义GB4161金属材料平面应变断裂韧度Kic试验方法3术语和定义
腐蚀疲劳一一金属同时受到腐蚀和交变应力或交变应变作用的破坏过程。3.1
腐蚀介质含有种或多种腐蚀剂的环境。3.2
3.3腐蚀电位金属在给定腐蚀体系中的电极电位。3.4电化学腐蚀——至少包含一对电极反应的腐蚀。3.5人造海水一一用化学试剂模拟海水的化学成分而配制的海水溶液。3.6疲劳裂纹扩展速率（da/dN或Aa/AN）一一在载荷循环过程中，由于加载引起的裂纹伸长速率，以每次循环中的平均裂纹增长量表征，本方法中表示为裂纹尖端应力强度因子范围AK的函数。
3.7应力强度困了范圈（AK）—最大与最小应力强度因子值之差，即：AK=Kmaz-Kmn
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HB 6626-92
3.8裂纹（嘴）张开位移(COD)一一用夹式位移规卡在试样裂纹嘴处测量由弹性变形产生的裂纹嘴位移。
3.9裂纹（嘴）张开位移（COD)标定一一由试验法或解析法得到的数学表达式，反映特定平面几何形状试样的裂纹（嘴）张开位移与载荷、裂纹长度、试样厚度及弹性模量的关系，3.10物理裂纹尺寸(ap)一一从参考平面到观测裂纹尖端的距离。其距离可以用沿裂纹前缘几次测量的平均值表示。其参考平面对于C(T)或WOL试样取加载线作平面，对M(T)试样取中心线作平面。
3.11裂纹长度（a）一本方法中，物理裂纹尺寸以a表示，下标P是隐含的。对于C(T)和WOL试样，a从加载线开始计量，见图1和图2。对于M(T)试样，a从试样中心线开始计量，见图3。
4试样
4.1试样形状
标准的C(T)试样见图1。WOL试样见图2。M(T)试样见图3。M(T)试样的特殊几何形状与夹紧方法有关。C(T)试样不推荐用于拉一压试验，因为会引起裂纹尖端载荷不确定。4.2试样尺寸
4.2.1试样厚度B
对C(T)和WOI.试样，推荐的试样厚度范围：W
式中：W三25mm。
对M(T)试样，推荐的试样厚度上限为W
，必要的最小厚度要能避免屈曲。4.2.1.1对于C(T)或WOL试样，厚度达到W/2的试样也可以使用，但所得到的数据常需要对裂纹楚向进行曲率修正，见7、1。4.2.1.2应用上述基本原理，对于M(T)试样，尽管W/4厚度的试样也可使用，但是推荐的厚度上限为W/8。
4.2.2试样宽度W
4.2.2.1为测得有效的试验数据，要求在所有外加载荷下试样基本处于弹性状态。应根据材料的非比例伸长应力po.2~最大应力强度因子的极限值KmxL、C(T）试样的a/W和M(T）试样的2a/W极限值选择试样的最小宽度W，见图4中的试样尺寸卿一化曲线，4.2.2.2根据对无裂纹韧带最小值的要求按下式检验：对C(T)和WOL试样：
对M(T)试样：
4Kmmz）4
W-2a≥
4.2.3试样长度见5.2.3中的规定。4.3试样制备
4.3.1切口长度an
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C(T)和WOL试样的切口长度an兰O.2W。M(T)试样的切口前缘到中心距离a.应不小于中心孔半径的3倍。当采用柔度法测量裂纹时，建议中心裂纹试样2a三0.2W。4.3.2切口制备
试样切口可通过铣切、线切割和其他方法加工。图5中给出了各种不同的切口几何形状，为便于预制出合格的疲劳裂纹，建议在热处理后进行线切割加工，切口根部曲率半径三0，08mm（在预制出合格的疲劳裂纹的前提下曲率半径町以稍大些），其他加工的切口形状根部曲率半径≤0.25mm。
4.4试样取向
金属材料疲劳裂纹扩展速率与试样取向有关，试样取向由裂纹面和裂纹扩展方向表示，具体规定参照GB4161《金属材料平面应变断裂韧度Kic试验方法》。5试验装置
5.1疲劳试验机
5.1.1试验允许在不同类型的拉压疲劳试验机上进行。建议采用闭环控制的电液伺服疲劳试验机。试验机必须满足如下要求：5.1.1.1试验机应当有适当的频率范围，5.1.7.2使试样受载对称分布。
5.1.1.3在静态下校正载荷，其误差不超过士1%，示值变动度不超过1%；在动态下校正载荷，其误差不超过士3%。
5.1.1.4带有准确的计数装置。
5.2加载装
5.2.1夹具材料应具有较高的耐蚀性和抗拉强度以及良好的加工性能，5.2.2C（T）试样的加载装置U型爽具可按图6设计。材料的非比例伸长应力(p应大于1000MPa。销轴与销孔间隙应设计得使摩擦减至最小。5.2.3M(T)试样的如载装置。用于M(T)试样的夹头和夹具的类型，取决于试样的宽度和加载条件。夹具设计应保证在整个试验过程中试样工作区域内应力均匀分布。为限制册曲，薄板试验必须采用约束导板。
5.2.3.1对于拉-拉加载，当试样的W≥75mm，试样的标距长度不小于3W时，采用U形槽和单个销轴装鼠。建议销轴和试样之间使用黄铜垫片或加润滑剂润滑。5.2.3.2对于拉--拉加载，当试样的W75mm时，建议采用多排螺栓的夹具，试样的最小标距（即最里面排螺栓孔之间距离）可放宽到1.5W。5.2.3.3对于拉一压加载，需采用乐板夹紧时，其专用螺栓和凹槽夹具参照图7设计。夹紧试样的最小标距长度应为1，2W。
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5.2.4夹具校准应保证加载系统有良好的同轴度；对拉一压加载系统应保证具有足够的刚性。
5.3COD测量的数字式仪器的精度应小于士1%。建议整个试验期间应按一定的周期间隔对仪器进行重新标定，如每批试样试验之前。推荐如图8所示的柔度测量系统，5.4介质盒和循环系统
5.4.1推荐采用如图9所示的循环系统装置供应试验溶液。5.4.2循环系统的流量要确保每分钟至少置换介质盒内溶液一次。5.4.3介质盒和循环系统应全部由有机玻璃、塑料制品等非金属材料制成。5.4.4介质盒应能将试样的裂纹扩展部分整个装入，选择好入水口和出水口位置，以确保试验溶液能围绕试样的裂纹扩展部分流动。5.4.5介质盒的设计应避免夹具和试验溶液之间的接触。5.4.6含水介质的体积：含水介质应具有足够的体积，该体积与试样被漫表面成正比，推荐大F20mt/cm2。
6试验程序
6.1试样尺寸测量
6.1.1用精度为0.01mm的量具有试样的韧带区域三点处测量厚度B,取平均值。6.1.2用精度不低于0.001W的量具在试样的裂纹所在截面附近测量宽度W。6.2安装试样前，应清洗试样表面和切口。建议采用酒精或丙酮清洗，但不应引起试样表面的腐蚀和揽。
6.3配制试验溶液
6.3.1盐水溶液用蒸馏水或去离子水配制的氯化钠溶液。氯化钠重最百分比浓度通常是3.5%
6.3.2人造海水一一推荐附录D《人造海水的化学成分》（参考件）为海水环境试验配制的海水溶液。
6.3.3充许根据需要配制其它含水介质成分。6.4介质盒安装在试样上后，通入试验溶液，对试样进行预浸泡，建议预浸泡的时间不小于24h.
6.5建议在夹具的销子和U形夹具的承载表面涂防腐润滑油，以使腐蚀和摩擦减至最小，但要注意防让润滑油对溶液的污染。6.6预制疲劳裂纹
6.6.1对预制疲劳裂纹所用载荷和频率的要求如下6.6.1.1预制疲劳裂纹设备应使负荷分布相对于机械加工切口是对称的；在预制裂纹过程中应将Km变化控制在士5%以内。
6.6.1.2预制疲劳裂纹过程中最后级的Kmx不得超过用来获得试验数据的初始Kmux6.6.］.3为减少预制疲劳裂纹所用时间，可采用比正式试验较高的载荷对应的Kmx和频率预制疲劳裂纹.但必须把较高的载荷分级降到正式试验最大载荷，任何一级的Pmx降低应小于20%。
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6.6.1.4可以用与试验条件不同的载荷和频率在试验室空气环境中预制初始裂纹。但是，通入溶液后，按正式试验条件再扩展不小于1mm的裂纹长度，才能作为正式试验数据。6.6.1.5为防止试验中的瞬变效应，每一级载荷范围应使裂纹长度扩展量不小于（3/）(Km/Opo.2），其中Kmax为上一级载荷最后的最大应力强度因子Kmax值。6.6.2对预制疲劳裂纹长度的要求如下：6.6.2.1在前后表面上从切口顶端到疲劳裂纹尖端测量裂纹长度M(T)试样要测前店表面的左右两个裂纹长度。测量应准确到0.1mm或0.002W中较大的一个。所测各个裂纹长度均应大于0.1B和切口宽度h（见图5），但应大于1mm。6.6.2.2若前后表面裂纹长度测量值之差大于0.25B或左右两个纹长度测量值之差大0.025W，再预制裂纹无效。
6.7在疫劳裂纹扩展试验中，载荷波形和循环频率会强裂地影响材料在含水介质11的稳态疲劳裂纹扩展速率。在选择试验参数时，必须考虑这些影响因素，尤其是高强钢和钛合金对频率效应很敏感，必须认真选择频率参数。6.8试验时应设法消除或尽量减小da/dN-一AK数据的瞬变效应或与时问相关效应。6.8.1整个试验期间AP和Pmax保持恒定。载荷波动不大于土2%。6.8.2若中断试验时，建议在中断的较短时间内，试样应继续浸泡在保持循环试验溶液中，如果试样离开试验溶液的时间较长，则在继续试验时，其裂纹扩展增量应大了Imm后方能计人正式试验数据。
6.8.3对于腐蚀作用明显的试验过程，允许清除试样侧表面的腐蚀产物，以利于试验溶液浸入裂纹尖端区域.并利于目测观察裂纹长度以及裂纹尖端形态。6.9环境监测与控制
6.9.1试验升始时，应使用新鲜溶液，即没有与其它金属件接触过的溶液。6.9.2对于使用闭环的循环流动溶液不超过一星期更换全部试验溶液。6.9.3建议试验中至少每1~～8小时测量一次腐蚀电位、溶液的PH值、电导率和溶解氧，并行记录。
6.9.4电化学参数测量具体细则见附录C(参考件）。6.9.5在试验室环境温度下试验时，建议用恒温器对溶液的温度进行控制和监测。6.9.6必须细心监测试验中环境诱发裂纹现象的特征。例如，裂纹扩展加速或减速，裂纹伴滞、分岔、倾斜等,并记录。此内容来自标准下载网
6.9.7对于一个特殊试验，如果da/dN一K数据出现大的瞬变特征，应进行重复试验。6.10裂纹长度测量
推荐用非目测法和目测法测量裂纹长度。如果采用非目测法，建议用日测法作为辅助厅法，用来观测裂纹走向尤其是监测裂纹分岔、倾斜等可使试验数据无效现象。6.10.1非国测法通常包括柔度法、电位法等，而以柔度法应用更为广泛。6.10.1.1用柔度法测量裂纹长度的具体细则见附录A（补充件）。6.10.1.2如果采用电位法，要注意确保它对da/dN一AK数据没有电化学的影响。5
6.10.2用国测法测量裂纹长度
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6.10.2.1测量精度不低于0.1mm及0.002w中较大的--个。6.10.2.2测量裂纹长度建议在不中断试验情况下进行，若需要中断试验测量时，应满足：a.中断时间应减至最少（如少于5min），测量裂纹期间试样应继续浸泡于循环流动的溶液中,
b.为增加裂纹清晰度，可加静载，其值应小于最大试验载荷。相应的Km值不应引起静载裂纹扩展（Kmax6.10.2.3裂纹增量Aa的测量间隔，应使da/dN-△K数据点接近均匀分布。a.推荐测量简隔见下表：
试样类型
C(T)和 WOL
测量范围
0.25≤a/W≤0.4
0.40≤a/W≤0.60
a/w≥0.60
2a/W0. 60
2a/w>0. 60
裂纹增量Aa≤
b.在任何情况下，最小的Aa应为0.25mm或相当裂纹长度测量精度的10倍，取两者中的较大值；
c.用日测法测量裂纹长度时，当B/W<0.15时，只需在试样一个表面上测量裂纹长度；对M（T）试样要在左右两侧测量裂纹长度，取平均值。当B/W≥0.15时，则需在试样的前后两个表面上测量裂纹长度，取平均值；对M（T)试样则需在前后表面的左右两侧测量四个裂纹长度，取平均值。
6.10.3无效试验数据的处理：
6.10.3.1若长时间中断试验，而中断后的裂纹扩展速率比中断前小，则试验无效。6.10.3.2在试验中某一-点处前后表面裂纹长度测量值相差大于0.25B或左右两侧裂纹长度测量值之差大于0.025W，则此点数据无效。6.10.3.3试验中任何一点平均穿透疲劳裂纹与试样对称平面的偏离大于5°，此点数据无效。6.11试样数量
同--组试样的数据在给定AK下的da/dN变化范围可约为两倍，由于置信度随试样数量的增加而增加，因此，试样数量由使用数据所需置信度决定。7试验结果的处理和计算
7.1裂纹曲率的修正
试验结束时拉断试样，检查断口以确定裂纹前缘曲率范围。若需要进行曲率修正，月裂纹前缘线条明显，则至少在两个位置（例如予制裂纹和极限裂纹）测量沿厚度方向（1/)B、（1/2）B、（3/4)B三点处的裂纹长度，其均值（平均裂纹长度）与试验记录的相应裂纹长度之差即为曲率修正量。
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7.1.1在任何一个位置上，电平均裂纹长度计算出的应力强度因子和由试验裂纹长度计算出的应力强度因子相差大于5%时，测需要进行曲率修正。7.1.2裂纹曲率修正量--般不是一个恒量，当它随裂纹伸长而单调增加或减少时，则采用线性内插法修正中间各数据点。
7.1.3当采用非目测法测基裂纹长度时，裂纹曲率的修正，一般都在试验标定过程中进行。但是，由于修正量可能与试样厚度有关，因此，上述修正程序是必要的。7.2疲劳裂纹扩展速率的确定
7.2.1推荐用割线法和递增多项式法对a-N曲线拟合求导的方法确定da/dN注：割线法往往比递增多项式法引起da/dN更大的分散性，因为后者在数值.上使数据得以*-稳”。必须考虑这两种方法所引起的变异性的显著差别.特别是将da/dN-K的数据用于设计时更要注意。7.2.2应力强度因子范围的计算
AK按下列数学表达式计算
对C(T)试样：
(2+ α)
(0. 886 + 4.64α - 13. 32m2
1—)3/2
+14.72g3-5.6)
式中：α
一-应力强度因子范围
AP—载荷范围
B——试样厚度
试样宽度
对于a/w≤0.2表达式有效。
对WOL型试样：
武中：a:
(2 + α)
[0.8072+8.858a--30.23ga
(1- ()372
+41.088-24.15c1+4.9515
对于a/W≥0.2表达有效。
对M(T)试样：
式中：1P
Pmaz—Pmin
α -—- 2a/w
一最大载荷
一最小载荷
(R≥0)
对于2a/W≤0.95表达式有效。
了.3试验数据的有效性检验
7.3.1有效性检验数据应满足下式：对C(T)和WOL试样：
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式中：0.2——非比例伸长应力
—最大应力强度因子
对M(T)试样：
W—2a
在试样尺寸归一化曲线图上见图4，数据点应位于归一化曲线之下，7.3.2对于高应变硬化（cb/opu.2宗1.3)材料试验数据的有效性检验见附录E（参考件）7.4推荐的数据处理程序
“推荐的数据处理程序”（包括确定da/dN，计算AK和有效性检验）见附录B（补充件），E符合试验要求的精度下也允许采用其他数据处理的方法。8试验报告
试验报告应包括下列内容：
8.1材料牌号、规格、品种、热处理制度、化学成分和常规机械性能。8.2·试样类型、厚度B和宽度W，除标准CT）、WOL、MT)试样外均应给出试样图。8.3取样方位，从结构件取样时应给出取样图。8.4试验机型·号，测量裂纹长度的装置和精度。8.5加载变量，包括载荷范围、载荷比、加载频率和波形。8.6报告要说明介质盒和用于环境检测和控制的所有仪器。8.7环境变量应给出以下内容：
8.7.1溶液的化学成分。
8.7.2环境监测与控制方法。
8.7.3环境参数：电位、PH值、溶解氧、电导率、温度。8.8给出用COD法测量值变换到裂纹长度a值和对应的循环数N值，给出计算da/dN的方法。
8.9注明试验中的异常行为，试验环境诱发裂纹增长现象的特征，如裂纹扩展加速或减速或停滞、裂纹分岔、裂纹倾斜等。8.10数据处理方法，包括疲劳裂纹曲率修正、计算da/dN和AK的法，为了使预测寿命的方法与本方法所给数据条件一致，当载荷比小于零时，说计算最小应力强度因了Kmin的方法。
采用本方法规定以外的试样时应给出应力强度因子K标定曲线或公式。8.11da/aN与AK图表，在双对数坐标纸.上给出da/dN一AK线数据点时为了更好地对比数据，建议横坐标（logk）尺寸为纵坐标（1ogda，dN）尺寸的2~~3倍。8
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8.12任何引起反常数据现象均应说明60.25W
W±Q.005w
1.25w±0.01W
图1标准C(T)试样图
M9000年
M9000午M90
900090
w±0.005w
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2-0o.196w+0.0
1.25W±0.01W
图2标准WOL试样图