十字雙軸裂紋擴展速率測試系統

十字雙軸裂紋擴展速率測試系統

一、技術原理與典型應用

1. 雙軸加載必要性

• 實際構件（飛機蒙皮、壓力容器、汽車底盤、軟包電池殼體等）常處于平面雙軸或多軸應力狀態；單軸試驗無法復現裂紋真實的 T-應力、約束度及裂尖塑性區演化。

• 雙軸疲勞/斷裂試驗可定量獲取 da/dN-ΔK 關系、門檻值 ΔKth、裂紋分叉與轉向規律，用于壽命預測和損傷容限設計。

2. 測試機理

• 試驗件多為“十字型"薄板，四邊通過四個獨立伺服作動器施加同相或異相載荷，實現任意雙軸比 λ=σ?/σ?（0→∞）及相位差 φ（0°→180°）。

• 裂紋長度實時測量：高頻 DCPD（電位降）、數字圖像相關（DIC）、高溫引伸計或顯微跟蹤。

二、主流商用設備一覽

三、選型要點

1. 載荷量級：薄板金屬裂紋擴展試驗通常 20–100 kN/軸即可；大型復材壁板需 200 kN/軸以上。

2. 頻率/波形：金屬低頻裂紋擴展常用 5–20 Hz；橡膠、柔性材料、薄膜可選電磁直線電機 100 Hz。

3. 裂紋測量：

• 高精度：DCPD（±0.01 mm），適合金屬；

• 全場非接觸：DIC（2D/3D），適合復材、透明件；

• 原位 SEM：μm 級分辨率，適合微裂紋早期行為。

4. 環境復現：鹽霧、濕熱、低溫（-40 ℃）、高溫（800–1000 ℃）需額外配置環境箱或真空腔。

四、典型配置清單（示例）

• 主機：MTS 四通道平面雙軸疲勞系統 4×250 kN

• 控制器：FlexTest 200 Hz 閉環控制

• 軟件：TestSuite Fracture Mechanics + 裂紋擴展自動判定模塊

• 測量：DCPD ＋ 2D-DIC（同步）

• 環境：高溫爐 RT-1000 ℃，鹽霧箱 ASTM B117

• 標準：ASTM E647（疲勞裂紋擴展）、ASTM E399（KIC）