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一個(gè)部件內(nèi)部可能存在許多不同的裂紋類(lèi)型和幾何形狀，無(wú)論是由制造缺陷，過(guò)程控制不良還是在預(yù)期的服務(wù)期間引起的。

斷裂力學(xué)試驗(yàn)

斷裂力學(xué)試驗(yàn)包括斷裂韌性試驗(yàn)和疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)，這些試驗(yàn)對(duì)于安全設(shè)計(jì)和運(yùn)行具有重要意義。

• 材料的斷裂韌性試驗(yàn)常用于測(cè)試材料在失效之前承受靜載荷的能力。

• 材料的耐久性則可以通過(guò)疲勞裂紋擴(kuò)展速率來(lái)衡量，在疲勞裂紋擴(kuò)展過(guò)程中，循環(huán)載荷會(huì)使裂紋隨著時(shí)間的推移而增長(zhǎng)。

兩種裂紋

人們通常所指的裂紋大都是貫穿整個(gè)零部件的裂紋缺陷，此類(lèi)缺陷的評(píng)估方法已經(jīng)有很多了，并且其中一部分可稱(chēng)得上是家喻戶(hù)曉。

另一類(lèi)裂紋是所謂的表面裂紋，這種裂紋不會(huì)穿透部件的整個(gè)厚度。這種裂紋的評(píng)估需求在航空航天工業(yè)中是最為普遍的，而其中又以輕質(zhì)結(jié)構(gòu)的檢測(cè)評(píng)估最為重要。究其原因，是因?yàn)檫@些結(jié)構(gòu)發(fā)生斷裂的臨界缺陷尺寸相對(duì)較小。涉及到表面裂紋的典型情況包括但不限于：高溫下在發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片中生長(zhǎng)的裂紋，或從結(jié)構(gòu)鉚釘孔生長(zhǎng)的裂紋等。

表面裂紋測(cè)試中的挑戰(zhàn)

當(dāng)進(jìn)行斷裂力學(xué)測(cè)試時(shí)，應(yīng)根據(jù)測(cè)試類(lèi)型選擇不同試驗(yàn)方法，如果不需要，可以采用施加的循環(huán)計(jì)數(shù)或施加的載荷函數(shù)來(lái)測(cè)量裂紋的尺寸。例如，ASTM標(biāo)準(zhǔn)E1820-17a要求測(cè)量裂縫尺寸，這是確定非線(xiàn)性斷裂韌性的常用測(cè)試方法。但是，表面裂紋測(cè)試具有獨(dú)特的挑戰(zhàn)性：對(duì)于形狀不斷變化的裂紋，沒(méi)有方便快捷的方法可以來(lái)監(jiān)測(cè)表面缺陷中的裂紋大小。

大多數(shù)的表面裂紋都具有不斷變化的縱橫比，它將最大裂紋深度與在表面上測(cè)量的（可觀察到的）裂紋長(zhǎng)度相關(guān)聯(lián)。這是一種典型的情況，因?yàn)榱鸭y擴(kuò)展的驅(qū)動(dòng)力，應(yīng)力強(qiáng)度系數(shù)K是零件幾何形狀以及所施加載荷的函數(shù)。在斷裂力學(xué)中，系數(shù)K比單獨(dú)應(yīng)力更能反映裂紋在載荷作用下的行為，因?yàn)镵能夠?qū)?yīng)力和裂紋尺寸的信息反映到一個(gè)參數(shù)中。值得注意的是，有時(shí)候部件相對(duì)于裂紋而言過(guò)小會(huì)導(dǎo)致裂紋的行為不會(huì)像位于無(wú)限大小的樣本中那樣。在無(wú)限樣本中，表面裂紋會(huì)生長(zhǎng)成半圓形并保持不變，但在有限大小的樣本中，表面裂紋就不是這樣了。換句話(huà)說(shuō)，加載邊界條件會(huì)影響到表面裂紋的發(fā)展和演化。

新工具助力表面裂紋的測(cè)試

為了克服這些限制，美國(guó)國(guó)家航空航天局發(fā)布了一種交互式工具，該工具能夠無(wú)損地監(jiān)測(cè)有限測(cè)試樣本中在張力或彎曲條件下生長(zhǎng)的任意形狀的半橢圓表面裂紋的瞬時(shí)尺寸。該軟件被稱(chēng)作為表面裂紋電位差（SCPD，Surface Crack Potential Difference），并于2010年被授予美國(guó)宇航局馬歇爾太空飛行中心年度軟件獎(jiǎng)。

表面裂紋截面示意圖，顯示了初始加工缺口、預(yù)裂紋和測(cè)試區(qū)域。預(yù)裂紋通常是給定測(cè)試的目標(biāo)尺寸。

該工具將用于預(yù)測(cè)裂紋演變的模型與用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)裂紋尺寸的模型相結(jié)合，即Newman-Raj模型與電位差法（PD）相結(jié)合。

電位差法采用的是基本的物理學(xué)原理，且操作方式非常簡(jiǎn)單。恒流電源提供通過(guò)金屬樣品的電流，連接到樣品裂紋兩側(cè)的探針監(jiān)測(cè)裂紋兩端的電位差或電壓，隨著裂紋的增長(zhǎng)，電流路徑的電阻會(huì)有所增加。這是因?yàn)橛捎诹鸭y尺寸增加，電流繞過(guò)裂紋的剩余面積會(huì)有所減小，由于電流保持恒定，所以電壓增加。這種電壓增加可以作為自變量測(cè)量，并用于與裂紋尺寸相關(guān)聯(lián)。對(duì)于許多貫穿試樣整個(gè)厚度的裂紋，已經(jīng)確定了試件表面探針間電壓的一些數(shù)學(xué)關(guān)聯(lián)方程。最著名的就是約翰遜方程，適用于所謂的中間張力，也適用于某些情況下的緊張張力樣本。最后，還必須開(kāi)發(fā)一種稱(chēng)為校準(zhǔn)的數(shù)學(xué)關(guān)系，以將測(cè)得的電位差（PD）的經(jīng)驗(yàn)變化與裂紋增長(zhǎng)聯(lián)系起來(lái)。這種校準(zhǔn)與材料無(wú)關(guān)，而應(yīng)該與裂紋的幾何形狀和局部放電結(jié)構(gòu)有關(guān)。

表面裂紋電位差SPCD軟件有助于準(zhǔn)確、可重復(fù)地生成所需的表面裂紋尺寸以便隨后進(jìn)行疲勞或斷裂測(cè)試。并且，該軟件還可以允許用戶(hù)通過(guò)自動(dòng)計(jì)算機(jī)控制將任何所需的裂紋擴(kuò)展驅(qū)動(dòng)力傳遞到包含不斷變化的表面裂紋的樣品上。因?yàn)樵摴ぞ咴试S直接測(cè)量表面裂紋擴(kuò)展速率，所以它消除了表面裂紋尺寸和形狀將以等同于穿透裂紋的速率生長(zhǎng)的假設(shè)。這些功能可生成具有更高完整性的數(shù)據(jù)材料，從而實(shí)現(xiàn)更精確的表面裂紋損傷容限評(píng)估。

使用模型時(shí)需要輸入樣品尺寸，表面缺陷的初始尺寸和縱橫比，加載模式，疲勞裂紋擴(kuò)展參數(shù)以及電位差儀器的配置等。而該程序的輸出則是預(yù)期的裂紋演變，以及由此產(chǎn)生的裂紋深度與給定模型的測(cè)量信號(hào)校準(zhǔn)等信息。

綜上所述，假定初始表面缺陷在拉伸或彎曲過(guò)程中加載，利用有限試樣寬度修正系數(shù)更新表面裂紋的Newman-Raju應(yīng)力強(qiáng)度因子方程以確定沿裂紋邊界的應(yīng)力強(qiáng)度，就可以根據(jù)計(jì)算得到的裂紋前沿的應(yīng)力強(qiáng)度值，進(jìn)而預(yù)測(cè)裂紋表面形狀的變化。該模型對(duì)裂紋擴(kuò)展進(jìn)行了數(shù)值化計(jì)算，假定裂紋擴(kuò)展在深度上受較小增量的驅(qū)動(dòng)，因而從裂紋形狀的演化可以確定電壓與裂紋尺寸的關(guān)系。

這種方法能夠改進(jìn)損傷容限分析，從而提高包含表面缺陷的斷裂關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的整體安全性。