用于確定疲勞裂紋的非傳播閾值的高頻方法
【專利說明】
【背景技術(shù)】
[0001]本發(fā)明涉及一種能使疲勞裂紋的非傳播閾值在高頻下確定用于渦輪發(fā)動機葉片的方法。
[0002]通常，渦輪噴氣發(fā)動機的葉片組(壓氣機葉片和渦輪機葉片)在寬范圍的頻率上承受應(yīng)力。然而，臨界頻率主要是那些與葉片彎曲的第一模式相關(guān)，其通常位于500赫茲(Hz)以上。為了能夠測量處于疲勞中葉片的尺寸，可以或者確定葉片上可接受沖擊的尺寸，否則更常見地，特別地求助于疲勞裂紋傳播的模型，其通常需要使用實驗數(shù)據(jù)校準(zhǔn)。該數(shù)據(jù)包括用于長裂紋非傳播的閾值，該閾值被寫作AKth并且表征應(yīng)力強度因子(SIF)的閾值振幅Δ K，超過其裂紋在疲勞中傳播。
[0003]然而，對于給定材料，幾乎僅以準(zhǔn)靜態(tài)方式確定該非傳播閾值，這并不代表葉片在其壽命中所受到的頻率水平。此外，某些材料，如T1-6A1-4V甚至TiAl可能對環(huán)境影響敏感，這也可以導(dǎo)致該閾值依賴于頻率。
[0004]目前，通過以下方法確定了非傳播閾值，其中使用液壓牽引機將降低的負(fù)載施加到測試件。所施加的力然后被伺服控制到應(yīng)力強度因子，這意味著需要知道在測試過程中裂紋的尺寸是如何變化的。為了能夠做到這一點，存在能夠確定在測試過程中裂紋尺寸的各種儀器裝置。第一種這種裝置依賴于測量基于流過測試件的電流的電位差。隨著該裂紋傳播，因為在傳播平面內(nèi)的可用部分的減少，由于該電位差測量所獲得的電阻增加了。第二裝置依賴于“符合”方法，其中應(yīng)變儀放置在與預(yù)先裂紋的原始位置相對的測試件的表面上，以及當(dāng)對于給定施加力裂紋傳播時，可以觀察到測量變形的增加。由在牽引中測試件剛度的降低導(dǎo)致了這種作用。對于給出了剛度和裂紋進展之間關(guān)系的主曲線，可以確定裂紋的尺寸。第三裝置依賴于“梳子”法，其中布置有大量應(yīng)變儀以沿裂紋路徑形成“梳子”。當(dāng)裂紋達(dá)到應(yīng)變計時，應(yīng)變儀破壞。了解了已經(jīng)破壞的應(yīng)變儀數(shù)量后，可以確定裂紋的尺寸。最后，其它裝置仍依賴在圖像或光學(xué)測量之間的關(guān)系，從該關(guān)系在遠(yuǎn)心系統(tǒng)的幫助下估計了裂紋的頂端位置。
[0005]所有這些傳統(tǒng)方法依賴于使用一種用于在測試過程中確定裂紋尺寸的裝置，因此能夠?qū)崟r調(diào)節(jié)被施加到裂紋邊緣應(yīng)力強度因子(SIF) (SIF = b*S* V (JI*a)，其中b是裂紋的形式因子，S是被施加的應(yīng)力，以及a是裂紋的特征尺寸)。一旦(在測試期間所測量的)裂紋的進展速度變得小于給定值，例如每循環(huán)10,米(m/循環(huán))，如在ASTM E647標(biāo)準(zhǔn)中提出的，因此SIF的減少被施加并且該閾值被認(rèn)為已經(jīng)達(dá)到。
[0006]除了該閾值在準(zhǔn)靜態(tài)條件(IHz到30Hz)下總被表征的事實以外，因此假設(shè)所獲得的非傳播值作為頻率的函數(shù)是恒定的，這是不正確的，這些傳統(tǒng)方法的主要缺點是，它們需要在原位置確定裂紋尺寸。測量電勢的裝置能夠僅施加到導(dǎo)電材料，并且它們需要快速以能夠?qū)嵤┱{(diào)整的數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)。在如部件在操作中所受到的以及期望表征制成它們的材料所對于的高頻下(>500Hz)，通常這是不可能的。符合方法可以施加到任何均質(zhì)材料，但這同樣需要快速數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)以實施調(diào)整，這同樣與需要實施測量的頻率不兼容。梳子法并不一定導(dǎo)致有效的伺服控制。僅能以離散方式確定裂紋的長度，即在應(yīng)變儀放置的位置。然后可以發(fā)生過載效應(yīng)出現(xiàn)在裂紋的頂端。最后，僅當(dāng)裂紋的傳播速度足夠緩慢時，可以使用光學(xué)測量。在兩個測量之間，裂紋長度的變化必須小以避免使裂紋頂端過載效應(yīng)。
[0007]發(fā)明目的和內(nèi)容
[0008]通過提出一種在高頻(>500Hz)下在具有特定形狀的結(jié)構(gòu)測試件中確定疲勞裂紋的非傳播閾值的方法，該特定形狀使這種確定成為可能，本發(fā)明因此具有減輕上述缺點的目的。
[0009]為此，本發(fā)明提供了一種在高頻下確定疲勞裂紋的非傳播閾值的方法，其中，循環(huán)加載被施加在至少一個測試件上，所述至少一個測試件在測試區(qū)中具有橢圓孔，所述橢圓孔在一端具有槽口以及所述測試件用兩個剛性預(yù)應(yīng)力板保持在兩個剛性塊之間，所述兩個剛性預(yù)應(yīng)力板布置在所述至少一個測試件的兩側(cè)上以及每個都在其兩端緊固到所述剛性塊，所述循環(huán)加載處于被選定為等于包括所述測試件、所述塊和所述應(yīng)力板的組件的共振頻率的頻率下，以從所述槽口產(chǎn)生疲勞裂紋，然后一旦觀察到所述裂紋已經(jīng)停止傳播，測量所述裂紋的最后長度以及使用圖表來確定所述閾值A(chǔ)Kth用于裂紋通過疲勞的非傳播，所述循環(huán)加載通過電動振動筒獲得，所述電動振動筒在剛性直立部的幫助下被安全地緊固到一個結(jié)構(gòu)，所述結(jié)構(gòu)支撐所述兩個剛性塊并包括用于傳輸所述循環(huán)加載到包括所述測試件、所述塊和所述壓力板的所述組件的推力桿。
[0010]通過該方法，不再有在測試發(fā)生時測量裂紋長度的任何需要，也不再有在這種測量的基礎(chǔ)上實施伺服控制的任何需要。
[0011]優(yōu)選地，通過計數(shù)預(yù)定數(shù)量的加載循環(huán)(通常位于800萬到1200萬循環(huán)的范圍內(nèi))觀察到所述裂紋的停止。
[0012]本發(fā)明還提供了一種能使疲勞裂紋的非傳播閾值在高頻下被確定的測試裝置，所述裝置包括:
[0013].至少一個測試件，所述至少一個測試件在測試區(qū)具有橢圓孔，所述孔在一端具有槽口 ；
[0014].兩個剛性塊，所述至少一個測試件被保持在所述兩個剛性塊之間；
[0015].兩個剛性預(yù)應(yīng)力板，所述兩個剛性預(yù)應(yīng)力板布置在所述至少一個測試件的兩側(cè)，并且每個都在其兩端緊固到所述兩個剛性塊；以及
[0016].電動振動筒，所述電動振動筒通過剛性直立部安全地緊固到一個結(jié)構(gòu)，所述結(jié)構(gòu)支撐所述兩個剛性塊并包括用于經(jīng)由所述兩個剛性塊傳輸循環(huán)加載到所述至少一個測試件的推力桿，所述循環(huán)加載具有被選定等于該裝置的共振頻率的頻率，以從所述槽口產(chǎn)生疲勞裂紋，一旦已經(jīng)觀察到所述裂紋的傳播已經(jīng)停止，所述疲勞裂紋的長度確定用于疲勞裂紋的所述非傳播閾值A(chǔ)Kth。
[0017]因此，通過在電動振動筒的幫助下，在其共振頻率下的動態(tài)牽引下激勵該裝置，可以實現(xiàn)足夠高以產(chǎn)生疲勞裂紋的加載水平，并且該裂紋傳播的停止能使非傳播閾值被確定。
[0018]優(yōu)選地，所述裝置進一步包括一個或多個用于通過修改所述共振頻率改變所述加載頻率的附加塊。
[0019]有利地，所述槽口在所述橢圓孔的長軸一端以及在所述加載方向制成。
[0020]優(yōu)選地，所述直立部是剛性支架。
[0021]有利地，所述測試件最初通過在所述兩個預(yù)應(yīng)力板上牽引進入壓縮，所述牽引通過逐步地減少在所述兩個預(yù)應(yīng)力板塊的所述端部之一和所述兩個剛性塊的面對的一個之間最初存在的間隙所獲得。
[0022]根據(jù)本發(fā)明，所述裝置的共振頻率的范圍在300Hz到2000Hz。
【附圖說明】
[0023]從參考附圖作出的以下描述，本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點顯而易見，該描述沒有限制性地示出一種實施方式，其中:
[0024]?圖1A和IB示出了根據(jù)本發(fā)明在測試裝置中使用的測試件，其能使疲勞裂紋的非傳播閾值被確定；
[0025]?圖2示出圖1A和IB的測試件的Δ K的衰變速率；
[0026].圖3示出了根據(jù)本發(fā)明用于確定疲勞裂紋的非傳播閾值的測試裝置；以及
[0027].圖4示出了圖3裝置的一部分的兩測試件變型。
【具體實施方式】
[0028]本發(fā)明提出了施加恒定平均和廣闊的外部循環(huán)加載到結(jié)構(gòu)測試件上，該測試件包括在孔的邊緣已預(yù)先開槽的橢圓孔。該橢圓孔的存在產(chǎn)生了應(yīng)力梯度，并且與其長半軸尺寸相關(guān)的其橢圓率比然后可以確保在裂紋頂端的應(yīng)力強度因子呈現(xiàn)了用于確定疲勞裂紋的非傳播閾值的所需衰變速率。裂紋然后在該衰變負(fù)載下自身停止，并且在其已經(jīng)停止后，它可以測量裂紋的最終長度，以能夠確定AKth的值。在測試終止后測量裂紋的長度，該測試的計數(shù)僅需要使用圖表。
[0029]圖1A和IB示出了在本發(fā)明的測試裝置中使用所需的測試件形狀。測試件10優(yōu)選為長方形，并在其中央測試部分1A具有橢圓孔12，該孔在測試件中產(chǎn)生應(yīng)力梯度。在該孔的一端，特別地在其長軸端部，以及在應(yīng)力(加載)方向中，測試件具有槽口 14，例如由電腐蝕制成(一種帶有平直前面的電火花加工(EDM)槽口)，從而很容易地開始疲勞裂紋。如圖所示，該測試件優(yōu)選地在測試區(qū)1A具有減小的厚度。
[0030]當(dāng)測試件受到壓縮加載時，牽引應(yīng)力由于彈性泊松效應(yīng)而出現(xiàn)在該孔的邊緣。對于在壓縮(或牽引壓縮)中的循環(huán)加載，裂紋在每個循環(huán)上打開和關(guān)閉，因此通過疲勞傳播。在沒有裂紋時，在孔邊緣的應(yīng)力是正向的，其在應(yīng)力集中區(qū)域逐步地減少，并且它在從孔離開時趨近于零。因此，如果裂紋遠(yuǎn)離孔的邊緣傳播，其應(yīng)力強度因子(SIF)隨著裂紋不斷增加的傳播長度而減小。當(dāng)應(yīng)力強度因子的幅值在傳播階段中達(dá)到非傳播閾值A(chǔ)Kth時，疲勞裂紋停止。
[0031]橢圓孔的形狀用裂紋的進展確定了應(yīng)力強度因子的衰