本发明涉及金属材料疲劳试验方法，特别涉及一种金属材料疲劳裂纹尖端塑性区的动态测量方法。
背景技术：
1、在工程结构的损伤容限设计中，经常用到金属材料疲劳裂纹扩展速率d a/d n和裂纹尖端应力强度因子范围△ k的表达式。依据现有的gb/t6398-2017《金属材料疲劳试验疲劳裂纹扩展方法》、astme647-2015《疲劳裂纹扩展速率测量的标准试验方法》等试验标准，可以获得系列（d a/d n，△ k ）数据，d a/d n 和△ k 的表达式通常用paris公式拟合得到。
2、作为疲劳裂纹扩展的驱动参量，△ k 是个表征裂纹尖端应力场强度的一个物理量，适用于描述裂纹尖端附近满足线弹性或小范围屈服的力学状态。所谓小范围屈服的定义，有文献指出，是指裂纹尖端的塑性区尺寸与裂纹长度相比不超过10%，也就是说，在整个疲劳裂纹扩展的过程中，裂纹尖端的塑性区不能过大。然而，事实上，在疲劳裂纹扩展速率d a/d n 试验中，随着裂纹长度的不断增加，裂纹尖端的塑性区也越来越大，以至于在裂纹扩展后期，裂纹尖端通常已不满足小范围屈服条件，以上提及的标准中并未说明这个问题。
3、正常继续试验至结束，所获得的试验数据拟合得到的paris公式在工程设计应用时会带来安全风险。通常的做法是试验获得的所有△ k 数据不做甄别处理，直接按照paris公式形式进行幂律关系拟合；或者即使逐一计算△ k 数据，也是在所有试样试验完成后，通过大量的计算，筛选出不满足线弹性或者小范围屈服的△ k 数据。未见有现有技术公开的文献或者专利中提及相关较好的处理方法。
技术实现思路
1、有鉴于此，本发明旨在提出一种金属材料疲劳裂纹尖端塑性区的动态测量方法，以解决现有技术中通过paris公式拟合得到的d a/d n 和△ k 的表达式在工程设计应用时会带来安全风险的问题。
2、为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
3、一种金属材料疲劳裂纹尖端塑性区的动态测量方法，包括如下步骤：
4、s1：选择一组试样中的1件，进行疲劳裂纹扩展速率d a/d n 试验，建立裂纹尖端塑性区尺寸 r0和试样裂纹嘴处张开位移变化量 v 的关系；
5、s2：编制计算程序，根据宏观可测量、可实时显示的 v 值，实现实时动态观察 r0值的变化；
6、s3：继续进行其它试样的d a/d n 试验，试验过程中连续监测试样裂纹嘴处张开位移变化量 v，同时启动步骤s2所编制的程序，实时动态监测 r0值的变化，塑性区尺寸和裂纹长度之比达到预设值q时停止试验；
7、s4：根据所获得的试验数据，按照paris公式拟合形式，得到d a/d n 和△ k 的有效方程。
8、进一步地，在步骤s1中，包括如下步骤：
9、s11：选择一组试样中的1件，设置试验参数和数据采集方式，进行d a/d n试验，直至试样断裂，其中，试验参数包括载荷幅、试验频率、应力比、试验环境等；
10、s12：根据所获得的试验数据，计算相应周次下裂纹尖端塑性区尺寸 r0值；
11、s13：计算系列 r0与裂纹长度 a的比值 r0 /a；
12、s14：根据以上计算的不同周次下的 r0 /a 值，以及相应周次下采集到的裂纹嘴处张开位移的变化量 v 值，拟合 v 和 r0 /a 的数学关系：
13、其中， v= vmax- vmin， vmax为裂纹嘴处张开最大位移， vmin为裂纹嘴处张开最小位移， vmax、 vmin为在试验中采集获得；
14、s15：确定试样裂纹嘴处张开位移变化量的临界值 v c；
15、s16：根据步骤s12中计算的 r0值和步骤s14中计算的 v 值，建立 r0 和 v 的数学关系。
16、进一步地，在疲劳裂纹扩展速率d a/d n 试验中，试样采用三点弯曲seb形式，在步骤s12中，试样裂纹尖端处于平面应力状态时，根据式（1）计算裂纹尖端的塑性区尺寸：
17、（1）
18、式中， r0—裂纹尖端塑性区尺寸，mm； k—裂纹尖端应力强度因子，mpa·m0.5； r p0.2—材料的屈服强度，mpa；
19、对于seb试样 ，k 的表达式为：
20、（2）
21、式中， y—无量纲形状因子，和试样形状有关； σ—外加应力，mpa； a—裂纹长度，mm；
22、seb试样的形状因子 y 为：
23、（3）
24、式中， a 为裂纹长度，mm； w 为试样宽度 ，mm ；β= a/ w 为归一化裂纹长度，无量纲。
25、进一步地，在步骤s13中，不同循环周次下的疲劳裂纹长度根据柔度法测量，归一化裂纹长度表达为：
26、（5）
27、式中， a/ w 为归一化裂纹长度， c0、 c1、 c2、 c3、 c4、 c5 为柔度系数， ux为无量纲柔度， ux和试验材料的弹性模量、试样尺寸、试验载荷有关，表达如下：
28、（6）
29、式中， b 为试样厚度，mm； v r 为试样裂纹嘴处张开位移，mm； e 为材料的弹性模量，mpa； p 为试验载荷，n。
30、进一步地，在步骤s15中，根据拟合的 r0 /a 和 v 的数学关系，当 r 0 /a 等于预设值q时，计算相应试样裂纹嘴处张开位移量的临界值 v c。
31、进一步地，预设值q的取值范围为q≤10%。
32、进一步地，预设值q的取值范围5%≤q≤10%。
33、进一步地，在步骤s16中，根据获得不同循环次数下系列的 r0值和 v 值，采用最小二乘法拟合 r0和 v 的数学关系。
34、相对于现有技术，本发明所述的金属材料疲劳裂纹尖端塑性区的动态测量方法具有以下优势：
35、（1）本发明所述的金属材料疲劳裂纹尖端塑性区的动态测量方法，利用事先建立的裂纹嘴张开位移变化量这一宏观可测量、可显示物理量和裂纹尖端塑性区尺寸的关系，预测当裂纹尖端塑性区尺寸不满足小范围屈服条件时就停下试验，确保paris公式拟合的数据条件，从而为工程结构设计提供安全支撑，同时也节约试验成本和试验时间，提高试验效率。
36、（2）本发明所述的金属材料疲劳裂纹尖端塑性区的动态测量方法，通过任意选一件试样进行疲劳裂纹扩展速率d a/d n 试验，在试验中采集相关的试验数据建立 r0和 v 的数学关系，然后其它试样即可参考第一件试样的 r0和 v 的关系，编制计算程序；当d a/d n 试验软件运行时，同时运行计算程序，就可实现实时动态测量和显示 r0，当 r0/ a达到预设值q时就终止试验，保存相关数据，处理裂纹尖端满足线弹性和小范围屈服力学状态的数据，用paris公式形式，拟合满足要求的d a/d n 和△ k 的方程，操作简单，避免试验结束后再去进行大量数据计算和评估，节约试验成本和试验时间，提高试验效率，为工程结构设计提供安全支撑。
1.一种金属材料疲劳裂纹尖端塑性区的动态测量方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的金属材料疲劳裂纹尖端塑性区的动态测量方法，其特征在于，在步骤s15中，根据拟合的v 和r0/a 的数学关系，当r0/a 等于预设值q时，计算相应试样裂纹嘴处张开位移量的临界值vc。
3.根据权利要求2所述的金属材料疲劳裂纹尖端塑性区的动态测量方法，其特征在于，预设值q为q≤10%。
4.根据权利要求2所述的金属材料疲劳裂纹尖端塑性区的动态测量方法，其特征在于，预设值q的取值范围5%≤q≤10%。
