(19)国家知识产权局 (12)发明 专利 (10)授权公告 号 (45)授权公告日 (21)申请 号 202210807104.8 (22)申请日 2022.07.11 (65)同一申请的已公布的文献号 申请公布号 CN 114878374 A (43)申请公布日 2022.08.09 (73)专利权人 天津大学 地址 300350 天津市津南区海河教育园雅 观路135号天津大 学北洋园校区 (72)发明人 赵雷　苏沫林　韩永典　徐连勇　 郝康达　 (74)专利代理 机构 北京瑞盛铭杰知识产权代理 事务所(普通 合伙) 11617 专利代理师 李绩 (51)Int.Cl. G01N 3/32(2006.01)G01N 3/08(2006.01) G06F 30/17(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (56)对比文件 CN 114216803 A,2022.03.22 CN 103439194 A,2013.12.1 1 CN 113609675 A,2021.1 1.05 CN 101144785 A,20 08.03.19 JP S56142439 A,1981.1 1.06 WO 2006006412 A1,20 06.01.19 审查员 王鑫 (54)发明名称 一种用于金属材料短裂纹及长裂纹扩展的 表征方法 (57)摘要 本发明公开了一种用于金属材料短裂纹及 长裂纹扩展的表征方法， 包括以下步骤： 获取金 属材料的缺口试样， 在循环载荷下的裂纹尖端张 开位移； 获取缺口试样在单次循环内， 通过单调 拉伸引起的裂纹尖端张开位移量， 以及缺口试样 在远场最大应力下的单调拉伸裂纹尖端张开位 移； 基于Shyam原始模型， 通过 获取金属材料的屈 服强度， 根据裂纹尖端张开位移量和单调拉伸裂 纹尖端张开位移， 构建用于表征短裂纹及长裂纹 扩展的 模型， 其中， 模型用于表示短裂 纹及长裂纹扩展的扩展速率； 本发 明通过裂纹尖 端钝化模型以及位错理论分别计算了单调拉伸 以及循环载荷的裂纹尖端张开位移以统一描述 金属材料短 ‑长裂纹扩展速率， 具有广阔应用前 景和经济效益。 权利要求书2页 说明书5页 附图2页 CN 114878374 B 2022.09.20 CN 114878374 B 1.一种用于金属材 料短裂纹及长裂纹扩展的表征 方法， 其特 征在于， 包括以下步骤： 获取金属材料的缺口试样， 在循环载荷下的裂纹尖端张开位移， 其中， 所述金属材料包 括316奥氏体不锈钢 、 6063‑T6铝合金以及TC4 钛合金中的一种； 获取所述缺口试样在单次循环内， 通过单调拉伸引起的裂纹尖端张开位移量， 以及所 述缺口试样在远场最大应力下的单调拉伸裂纹尖端张开 位移； 基于Shyam原始模型， 通过获取所述金属材料的屈服强度， 根据所述裂纹尖端张开位移 量和所述单调拉伸裂纹尖端张开位移， 构建用于表征短裂纹及长裂纹扩展的 模型， 其 中， 所述 模型用于表示短裂纹及长裂纹扩展的扩展速率； 所述 模型表示 为： 其中， da/dN为裂纹扩展速率， 表示循环载荷作用下的裂纹尖端张开位移， Tm为考虑 材料静态韧度耗散以及裂纹尖端应变能量的单调拉伸引起的裂纹尖端张开位移； k和m2表 示拟合参数； 所述裂纹尖端张开 位移的表达式为： 其中， R表示应力比， 表示泊松比， a表示裂纹长度， 表示材料屈服强度， 表 示远场最大应力， E表示杨氏模量。 2.根据权利要求1所述一种用于金属材料短裂纹及长裂纹扩展的表征方法， 其特征在 于： 在获取缺口试样在循环载荷下的裂纹尖端张开位移的过程中， 对不同所述金属材料的 所述缺口试样， 进行不同工况 条件下的疲劳裂纹扩展实验； 通过BCS连续分布模型， 获取 所述裂纹尖端张开 位移。 3.根据权利要求2所述一种用于金属材料短裂纹及长裂纹扩展的表征方法， 其特征在 于： 在获取裂纹尖端张开位移量的过程中， 根据Zheng ‑Hirt裂纹尖端钝化模型， 获取裂纹 尖端张开 位移量， 其中， 获取裂纹尖端张开 位移量的表达式为： 式中， 为I形裂纹的应力强度因子， 表示张开应力， 等于材 料临界断裂 应力。 4.根据权利要求3所述一种用于金属材料短裂纹及长裂纹扩展的表征方法， 其特征在 于： 在根据Zheng ‑Hirt裂纹尖端钝化模型获取裂纹尖端张开位移量的过程中， 将钝化的裂 纹尖端视为微缺口， 根据金属缺口开裂准则， 获取所述材料临界断裂应力， 其中， 所述材料权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 114878374 B 2临界断裂 应力的表达式为： 式中， Kt为理论应力集中系数， 和 分别是与材料断面收缩率有关的断裂真应力 和断裂延性， 表示材料临界断裂 应力。 5.根据权利要求4所述一种用于金属材料短裂纹及长裂纹扩展的表征方法， 其特征在 于： 在获取单调拉伸裂纹尖端张开位移 的过程中， 基于断裂力学理论， 根据所述材料临界 断裂应力、 所述裂纹尖端张开位移量， 获取所述单调拉伸裂纹尖端张开位移， 其中， 所述单 调拉伸裂纹尖端张开 位移的表达式为： 其中， 表示单调拉伸裂纹尖端位移， 表示远场最大应力。 6.根据权利要求5所述一种用于金属材料短裂纹及长裂纹扩展的表征方法， 其特征在 于： 在获取单调拉伸裂纹尖端 张开位移的过程后， 基于静态韧度耗散以及裂纹尖端应变能 量释放对金属材 料疲劳损伤影响， 对所述单调拉伸裂纹尖端张开 位移进行如下修 正： 其中， UT为静态韧度。 7.根据权利要求6所述一种用于金属材料短裂纹及长裂纹扩展的表征方法， 其特征在 于： 在构建用于表征短裂 纹及长裂 纹扩展的 模型的过程中， 基于所述Shyam原始模型， 通过获取所述金属材料的所述屈服强度， 根据所述裂纹尖端张开位移量和修正后的所述单 调拉伸裂纹尖端张开 位移， 构建所述 模型。 8.根据权利要求7所述一种用于金属材料短裂纹及长裂纹扩展的表征方法， 其特征在 于： 用于实现所述表征 方法的表征系统， 包括： 第一数据处理模块， 用于获取金属材料的缺口试样， 在循环载荷下的裂纹尖端张开位 移； 第二数据处理模块， 用于获取所述缺口试样在单次循环内， 通过单调拉伸引起的裂纹 尖端张开 位移量， 以及所述 缺口试样在远场最大应力下的单调拉伸裂纹尖端张开 位移； 扩展速率表征模块， 用于基于Shyam原始模型， 通过获取所述金属材料的屈服强度， 根 据所述裂纹尖端张开位移量和所述单调拉伸裂纹尖端张开位移， 构建用于表征短裂纹及长 裂纹扩展的 模型， 其中， 所述 模型用于表示短裂纹及长裂纹扩展的扩展速率。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 114878374 B 3