專利名稱：一種金屬材料強度性能評定方法
一種金屬材料強度性能評定方法技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于航空材料強度試驗領(lǐng)域，特別是涉及到一種金屬材料強度性能評定方法。
背景技術(shù)：
隨著飛機結(jié)構(gòu)設(shè)計思想的不斷更新和演變，損傷容限設(shè)計與評定技術(shù)已廣泛地用于飛機的結(jié)構(gòu)強度設(shè)計，以確保飛機結(jié)構(gòu)的使用安全。
飛機結(jié)構(gòu)損傷容限設(shè)計理念要求所采用的材料本身能夠具有相當(dāng)?shù)膿p傷容限能力，而結(jié)構(gòu)損傷容限設(shè)計主要是利用材料的緩慢裂紋擴(kuò)展特性和含裂紋結(jié)構(gòu)的剩余強度。 目前被廣泛應(yīng)用和比較一致的認(rèn)識，是采用斷裂韌性來評估含裂紋材料的剩余強度，但對于裂紋擴(kuò)展特性的評價仍沒有形成統(tǒng)一的指標(biāo)。并且，如何在選材過程中，綜合考慮材料的靜強度與損傷容限性能，國內(nèi)還沒有一個準(zhǔn)確的衡量指標(biāo)與方法。例如，鋁合金LY12(熱處理狀態(tài)CZ，δ =2. 0mm, L-T向)抗拉強度σ b為459MPa，鈦合金TC4熱處理狀態(tài)Μ, δ =2. 0mm, L-T向)抗拉強度σ b為1084MPa以及合金鋼30CrMnSiNi2A (900。C加熱，230° C等溫， 260° C回火，L-T向)抗拉強度σ b為1603MPa ;而對于這三種材料的斷裂韌度，在室溫空氣下，鋁合金 LY12 的足c - 120MPa“，鈦合金 TC4 的JTe = 188MPaVm，合金鋼 30CrMnSiNi2A 的Xie = 92.3MPaV^T;分別查詢?nèi)N材料裂紋擴(kuò)展速率的Paris公式擬合線，在R=O. 06，對應(yīng)裂紋擴(kuò)展速率為10_5下，對于鋁合金LY12的ΔΚ = 8:V//~V^，而對于鈦合金TC4和合金鋼 30CrMnSiNi2A的ΔΛ = \QMI\i、fm。從以上數(shù)據(jù)可以看出就三種材料的靜強度性能而言合金鋼最好，而對于其斷裂韌性而言鈦合金最好，但是在裂紋的穩(wěn)定擴(kuò)展階段，鈦合金與合金鋼的裂紋擴(kuò)展性能又要略好與鋁合金，但這并不能說明鈦合金和合金鋼綜合強度性能就要好于鋁合金，因為鈦合金和合金鋼的一般工作應(yīng)力比鋁合金高。因此很難給出這三種材料的綜合強度指標(biāo)，或進(jìn)行強度性能的相對性比較。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種能夠準(zhǔn)確評定金屬材料性能的一種金屬材料強度性能評定方法，能夠有效地解決選材的綜合評價問題。
本發(fā)明的技術(shù)方案是一種金屬材料強度性能評定方法，包括以下步驟
步驟一、查閱每一種待評定材料的K。和％值，其中K。是為材料的斷裂韌性，Ob 是材料的極限拉伸強度，并利用上述兩個值來確定每種材料的靜強度性能評定指標(biāo)Zp值，
步驟二、查閱每一種待評定材料的穩(wěn)定裂紋擴(kuò)展階段的da/dNlK曲線；其中da/ dN為裂紋擴(kuò)展速率，ΛΚ為應(yīng)力強度因子變化幅值。
步驟三、由于一般結(jié)構(gòu)大部分工作應(yīng)力在ob/3左右，因此對材料的裂紋擴(kuò)展特性進(jìn)行評價時，等幅載荷的最大應(yīng)力通常取ob/3。現(xiàn)將步驟二中查閱得到的(1&/(^ 八1( 曲線的橫坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成3 Λ K/ σ b，得到da/dN 3 Λ K/ σ b曲線，即當(dāng)工作應(yīng)力為σ b/3時裂紋擴(kuò)展速率da/dN與裂紋長度的平方根士之間的關(guān)系曲線。
步驟四、根據(jù)步驟三中得到的da/dN 3AK/0b曲線，確定裂紋擴(kuò)展性能評定指標(biāo) Kp,即在裂紋擴(kuò)展速率d a/d N=I X 10_5mm/次下，對應(yīng)的當(dāng)量裂紋擴(kuò)展長度ΚΡ=3 Λ K/ σ b ;
步驟五、結(jié)合步驟一與步驟四中得到的靜強度性能評定指標(biāo)Zp值以及裂紋擴(kuò)展性能評定指標(biāo)Kp值，確定每一種待評定材料的強度綜合評定指標(biāo)Ld，其中根據(jù)試驗結(jié)果與使用經(jīng)驗，按照統(tǒng)計規(guī)律分析結(jié)果，引入加權(quán)系數(shù)進(jìn)行修正處理。靜強度性能評定指標(biāo)權(quán)系數(shù)取為O. 4，裂紋擴(kuò)展性能評定指標(biāo)權(quán)系數(shù)取為O. 6，由此計算每一種待評定材料的強度綜合評定指標(biāo)Ld=O. 4XZP+0. 6XKP。對于每一種待評定材料的強度綜合評定指標(biāo)Ld，指標(biāo)Ld越大，則待評測材料的強度性能越好。
本發(fā)明的優(yōu)點是本發(fā)明采用歸一化處理的方法，將材料的靜強度性能指標(biāo)一極限拉伸強度σ b與斷裂性能指標(biāo)--斷裂韌度K。以及材料在裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展階段的裂紋擴(kuò)展速率性能指標(biāo)一當(dāng)量裂紋長度Kp有效地綜合在一起，通過一個綜合的強度指標(biāo)Ld來表征。 因此，在選材過程中，就可以在面對材料靜強度與損傷容限性能優(yōu)劣情況不一致的條件下， 有效地解決選材的綜合評價問題。本發(fā)明能夠快速評價材料的靜強度與損傷容限的綜合性能，為飛機結(jié)構(gòu)設(shè)計中材料的選擇提供了一種便捷有效，又能同時涵蓋靜力、損傷容限兩方面特性的綜合評價方法，提高了工作效率和結(jié)構(gòu)設(shè)計的有效性。


圖I是本發(fā)明一實施方式形成的材料穩(wěn)定裂紋擴(kuò)展階段da/dN ΛΚ曲線族示意圖。
圖2是本發(fā)明一實施方式形成的材料穩(wěn)定裂紋擴(kuò)展階段da/dN 3AK/0b曲線族示意圖。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖及實例對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)描述，請參閱圖I及圖2。
在飛機結(jié)構(gòu)設(shè)計中，耐久性與損傷容限設(shè)計概念已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，設(shè)計選材也越來越注重材料的損傷容限特性。但是目前國內(nèi)僅能單純依據(jù)材料的極限強度、斷裂韌性與裂紋擴(kuò)展速率分別進(jìn)行材料斷裂性能辨識，這三個指標(biāo)都是獨立的，很難對材料斷裂特性得到一個真實的綜合表征結(jié)果。
一種金屬材料強度性能評定方法，包括以下步驟
步驟一、查閱每一種待評定材料的K。和％值，其中K。是為材料的斷裂韌性，Ob 是材料的極限拉伸強度，并利用上述兩個值來確定每種材料的靜強度性能評定指標(biāo)Zp值，
步驟二、查閱每一種待評定材料的穩(wěn)定裂紋擴(kuò)展階段的da/dfAK曲線；其中da/ dN為裂紋擴(kuò)展速率，ΛΚ為應(yīng)力強度因子變化幅值。
步驟三、由于一般結(jié)構(gòu)大部分工作應(yīng)力在ob/3左右，因此對材料的裂紋擴(kuò)展特性進(jìn)行評價時，等幅載荷的最大應(yīng)力通常取ob/3?，F(xiàn)將步驟二中查閱得到的da/dN Λ K 曲線的橫坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成3 Λ K/ σ b，得到da/dN 3 Λ K/ σ b曲線，即當(dāng)工作應(yīng)力為σ b/3時裂紋擴(kuò)展速率d a/dN與裂紋長度的平方根士之間的關(guān)系曲線。
步驟四、根據(jù)步驟三中得到的da/dN 3AK/0b曲線，確定裂紋擴(kuò)展性能評定指標(biāo) KP,即在裂紋擴(kuò)展速率d a/d N=I X 10_5mm/次下，對應(yīng)的當(dāng)量裂紋擴(kuò)展長度ΚΡ=3 Λ K/ σ b ;
步驟五、結(jié)合步驟一與步驟四中得到的靜強度性能評定指標(biāo)Zp值以及裂紋擴(kuò)展性能評定指標(biāo)Kp值，確定每一種待評定材料的強度綜合評定指標(biāo)Ld，其中根據(jù)試驗結(jié)果與使用經(jīng)驗，按照統(tǒng)計規(guī)律分析結(jié)果，引入加權(quán)系數(shù)進(jìn)行修正處理。靜強度性能評定指標(biāo)權(quán)系數(shù)取為O. 4，裂紋擴(kuò)展性能評定指標(biāo)權(quán)系數(shù)取為O. 6，由此計算每一種待評定材料的強度綜合評定指標(biāo)Ld=O. 4XZP+0. 6XKP。對于每一種待評定材料的強度綜合評定指標(biāo)Ld，指標(biāo)Ld越大，則待評測材料的強度性能越好。
實例
下面以某一實際工作中的例子為例，對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明。
待評定的三種材料分別為鋁合金LY12 (熱處理狀態(tài)CZ，δ =2. 0mm, L-T向)、鈦合金TC4熱處理狀態(tài)Μ, δ =2. 0mm, L-T向)以及合金鋼30CrMnSiNi2A (900° C加熱，230° C 等溫，260° C回火，L-T向)，按照以下步驟對上述三種待評定材料進(jìn)行綜合強度性能評定， 包括以下步驟
步驟一、查閱三種待評定材料的K。和σ )3值，確定每種材料的靜強度性能評定指標(biāo) Zp值，Zp=Kc/ O b,具體如下表I所示；
步驟二、查閱三種待評定材料的穩(wěn)定裂紋擴(kuò)展階段的da/dN ΛΚ曲線，如圖I所
權(quán)利要求
1.一種金屬材料強度性能評定方法，其特征在于，包括以下步驟步驟一、查閱每一種待評定材料的K。和％值，其中K。是為材料的斷裂韌性，Ob是材料的極限拉伸強度，并利用上述兩個值來確定每種材料的靜強度性能評定指標(biāo)Zp值，ZP=K。/ °b;步驟二、查閱每一種待評定材料的穩(wěn)定裂紋擴(kuò)展階段的da/d^TAK曲線；其中d a/d N 為裂紋擴(kuò)展速率，△K為應(yīng)力強度因子變化幅值；步驟三、由于一般結(jié)構(gòu)大部分工作應(yīng)力在ob/3左右，因此對材料的裂紋擴(kuò)展特性進(jìn)行評價時，等幅載荷的最大應(yīng)力取ob/3 ;將步驟二中得到的da/dN Λ K曲線的橫坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成3 Λ K/ σ b，得到da/dN 3 Λ K/ σ b曲線，即當(dāng)工作應(yīng)力為σ b/3時裂紋擴(kuò)展速率d a/d N 與裂紋長度的平方根&之間的關(guān)系曲線；步驟四、根據(jù)步驟三中得到的da/dN 3 ΔΚ/σ,曲線，確定裂紋擴(kuò)展性能評定指標(biāo)ΚΡ，即在裂紋擴(kuò)展速率d a/d N=I X 10_5mm/次下，對應(yīng)的當(dāng)量裂紋擴(kuò)展長度ΚΡ=3 Λ K/ σ b ;步驟五、結(jié)合步驟一與步驟四中得到的靜強度性能評定指標(biāo)Zp值以及裂紋擴(kuò)展性能評定指標(biāo)Kp值，確定每一種待評定材料的強度綜合評定指標(biāo)Ld，其中根據(jù)試驗結(jié)果與使用經(jīng)驗，按照統(tǒng)計規(guī)律分析結(jié)果，引入加權(quán)系數(shù)進(jìn)行修正處理，靜強度性能評定指標(biāo)權(quán)系數(shù)取為O.4，而裂紋擴(kuò)展性能評定指標(biāo)權(quán)系數(shù)取為O. 6，有此計算每一種待評定材料的強度綜合評定指標(biāo)Ld=O. 4XZp+0.6XKp ;對于每一種待評定材料的強度綜合評定指標(biāo)Ld，指標(biāo)Ld越大， 則待評測材料的強度性能越好。
全文摘要
本發(fā)明屬于航空材料強度試驗領(lǐng)域，特別是涉及到一種金屬材料強度性能評定方法，包括查閱每一種待評定材料的KC和σb值的步驟、查閱穩(wěn)定裂紋擴(kuò)展階段的da/dN~ΔK曲線并得到da/dN~3ΔK/σb曲線的步驟、確定裂紋擴(kuò)展性能評定指標(biāo)KP的步驟等。本發(fā)明采用歸一化處理的方法，將材料的靜強度性能指標(biāo)--極限拉伸強度σb與斷裂性能指標(biāo)--斷裂韌度Kc以及材料在裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展階段的裂紋擴(kuò)展速率性能指標(biāo)--當(dāng)量裂紋長度KP有效地綜合在一起，通過一個綜合的強度指標(biāo)Ld來表征。本發(fā)明能夠快速評價材料的靜強度與損傷容限的綜合性能，為飛機結(jié)構(gòu)設(shè)計中材料的選擇提供了一種便捷有效，又能同時涵蓋靜力、損傷容限兩方面特性的綜合評價方法，提高了工作效率和結(jié)構(gòu)設(shè)計的有效性。
文檔編號G01N3/00GK102937547SQ20121045199
公開日2013年2月20日 申請日期2012年11月12日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月12日
發(fā)明者張志楠, 王新波, 秦劍波, 嚴(yán)紅 申請人:中國航空工業(yè)集團(tuán)公司西安飛機設(shè)計研究所