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CN201410263559.3 一种基于镁合金试件表面温度特征的疲劳分析方法

技术领域

本发明一种基于镁合金试件表面温度特征的疲劳分析方法,属于镁合金材料力学性能的技术领域。具体涉及一种镁合金疲劳试件表面温度特征的快速疲劳分析方法的技术方案。

背景技术

疲劳与断裂是引起工程结构失效的最主要原因,工程结构中因疲劳断裂事故引起的失效占失效总数的80 %以上,一旦发生疲劳破坏事故,往往给人们的生命财产带来灾难性的损失。多年来,人们在疲劳现象的观察、疲劳机理的研究、疲劳寿命的预测和抗疲劳设计技术的发展等方面积累了丰富的经验。目前的疲劳研究主要依靠试验手段对金属材料的疲劳性能进行分析和检测,然而这些疲劳试验方法存在着试验周期长、试件消耗大、数据离散等不足,这些都为获取材料的疲劳性能带来了一定的困难。

镁合金作为新型的结构材料,在服役过程中往往承受疲劳载荷,目前其疲劳性能主要是通过试验手段获得。传统的疲劳试验方法通常将疲劳试件在107循环周次内是否发生疲劳失效作为评判标准,即需要对待测试件进行长时间的循环加载,如果在达到特定的循环周次前发生疲劳失效,说明施加的载荷可能高于材料的疲劳极限;反之,达到特定的循环周次不发生疲劳失效,说明施加的载荷可能低于材料的疲劳极限;通过对以上获得的试验数据进行对比分析才能获得材料的疲劳极限;这种疲劳试验方法,在单根试件上就需要较长的试验周期,并且为了获得可靠的试验数据,需要进行多组试验,因此,目前的试验方法不仅耗费大量时间,而且耗费大量试验材料。

最近,一种基于红外热成像预测镁合金构件疲劳极限的系统和方法(申请号:201210549354.2)被提出,该方法利用红外热像仪监测镁合金在疲劳试验过程中试件表面的温度变化,对比不同应力水平下试件表面的温升值,进而确定镁合金的疲劳极限。与目前的疲劳试验方法相比,该方法无需将试件加载至发生疲劳失效或完成全部107周次循环加载,在一定程度上节省了试验时间。然而,该方法只强调了不同应力水平下试件表面温升值的差异,并没有准确给出镁合金试件在特定应力水平下所表现出的具体特征,需要进行多组试验进行对比才能得到疲劳极限,试验过程不够简便。

发明内容

本发明一种基于镁合金试件表面温度特征的疲劳分析方法,其目的在于是针对背景技术的状况,借助于红外热像仪,提供一种仅对单个试件加载至弹塑性变形范围内的疲劳试验方法,对于镁合金试件仅需3分钟的疲劳加载就可以快速确定疲劳试件内应力与镁合金疲劳极限之间关系的疲劳分析方法,

本发明一种基于镁合金试件表面温度特征的疲劳分析方法,其特征在于是一种借助于红外热像仪,仅对单个镁合金试件加载至弹塑性变形范围内,仅需3分钟的疲劳加载就可以快速确定疲劳试件内应力与镁合金疲劳极限之间关系的疲劳分析方法,该方法的具体步骤如下:

使用的化学物质材料为:镁合金板、乙醇、黑色哑光漆和砂纸,其准备用量如下:以毫米、毫升为计量单位

镁合金板:AZ31B                320 mm×100 mm×10 mm  4块

黑色哑光漆                         500 mL±10 mL

乙醇:C2H5OH                    500 mL±10 mL

砂纸:SiC  800目                276 mm×0.5 mm×230 mm  2张  

砂纸:SiC  1000目               276 mm×0.5 mm×230 mm  2张

砂纸:SiC  1500目               276 mm×0.5 mm×230 mm  2张

1) 试件加工及准备

① 采用线切割方法将镁合金板加工为变截面的疲劳试件,使得在疲劳加载过程中试件标距内应力随截面积增大而减小,呈不均匀分布;

② 用砂纸打磨疲劳试件,使试件表面及线切割加工面光滑,要求试件正反面及线切割加工面的粗糙度达Ra0.32-0.63 μm;

③ 用乙醇擦洗疲劳试件,使试件表面洁净;

④ 在疲劳试件测温表面涂一层黑色哑光漆,以增加热反射率;

2) 加载试件及测温准备

调整好疲劳试验参数,循环特征系数为0.1,谐振频率为100 Hz,开始将疲劳试件加载在疲劳试验机上,同时将红外热像仪置放于距离试件测温表面800 mm处,调节红外热像仪焦距,保证疲劳试验过程中录制的温度图像清晰;

3) 疲劳试验

对待测试件在不同应力水平下进行循环加载,同时使用红外热像仪对试件表面温度进行监测,采集试件表面温度特征数据,并储存镁合金试件表面的疲劳热像图;

4) 数据处理及分析

① 分析红外热像仪测得的试验结果,提取试件在疲劳载荷作用下的温度-时间关系数据、温度图像;

② 计算疲劳试件标距内的应力分布,根据应力分布求得应力梯度曲线;沿应力梯度曲线在步骤①获得的热像图上提取温度数据,得到试件表面的温度与局部应力关系曲线;

③ 根据在不同应力水平下获得的试件表面温度与局部应力关系曲线的形状,确定试件内部应力与镁合金疲劳极限的关系为全部大于疲劳极限、部分大于疲劳极限或是全部小于疲劳极限;

步骤②中获得的试件表面的温度与局部应力关系曲线在不同应力水平下呈现三种不同形状:a. 曲线为一条单一的直线,温度随内应力的增加呈线性增加,此时试件内部应力全部大于疲劳极限;b. 曲线出现明显的转折,此时试件内部应力部分大于疲劳极限;c. 曲线呈现不规律波动,此时试件内部应力全部小于疲劳极限;

④ 当试件内部应力部分大于疲劳极限时,步骤②中获得的试件表面的温度与局部应力关系曲线会出现明显的转折;分别对出现转折的曲线的两段用最小二乘法进行拟合得到两条直线,其交点对应的应力值为该镁合金的疲劳极限。

上述的一种基于镁合金试件表面温度特征的疲劳分析方法,其特征在于,所述的镁合金疲劳试验是在红外试验系统上进行,其红外试验系统由疲劳试验机(1)、红外热像仪(4)和控制系统(6)组成,疲劳红外试验系统为立式,在疲劳试验机(1)的卡具(2)上装卡表面涂有黑色哑光漆的镁合金疲劳试件(3),在涂有哑光漆面的疲劳试件前放置红外热像仪(4),调节控制系统(6)开始疲劳加载,由控制系统(6)得到疲劳试验收据,红外热像仪(4)得到镁合金疲劳试件表面的温度信息和温度图像,数据处理系统(5)对得到的疲劳过程中的温度和应力信息进行处理。

上述的一种基于镁合金试件表面温度特征的疲劳分析方法,其特征在于,所述的镁合金疲劳试件采用标距为变截面的疲劳试件,使得在疲劳加载过程中试件标距内应力随截面积增大而减小,呈不均匀分布。

本发明一种基于镁合金试件表面温度特征的疲劳分析方法,其优点在于:基于镁合金在疲劳载荷下产热机制的固有特征,对疲劳载荷下的试件表面温度特征进行提取,使之以图像的形式直观的展现出来;在分析这些温度特征的基础上确定疲劳试件内部应力与被测材料疲劳极限之间关系,进而确定镁合金的疲劳极限;利用红外热像仪,仅需要3分钟的时间,便可以完整采集包含弹塑性变形阶段试件表面温度特征的热像图数据,因而无需对试件加载至发生疲劳失效或全部107循环周次,很大程度上节省了试验时间;同时通过该方法得到不同疲劳载荷下的温度特征具有鲜明的特点,不需要对不同应力水平下获得的数据进行对比就可以确定镁合金的疲劳性能,在一定程度上简化了试验试验过程;与现有技术相比,该方法具有试验过程简单,试验周期短,试验所需试件数量少等先进性,可以被广泛的应用于工程实践。

附图说明

图1 镁合金疲劳试样尺寸

图2 镁合金疲劳红外试验系统

图3 镁合金疲劳试件红外热像图

图4 镁合金疲劳试件内应力计算模型

图5 镁合金疲劳试件平均温度与内应力关系曲线 (a) 115 MPa;(b) 110 MPa;(c) 105 MPa;(d) 100 MPa。

图中所示,附图标记清单如下:

1.疲劳试验机;2.卡具;3.镁合金疲劳试验;4.红外热像仪;5. 数据处理系统;6. 控制系统;7. 疲劳试件横截面A;8.高于疲劳极限部分;9.低于疲劳极限部分;10. 高于疲劳极限部分的拟合直线;11. 低于疲劳极限部分的拟合直线。

具体实施方式

以下结合具体实施例,对本发明进行详细说明。

本发明所采用的材料为商用10mm厚挤压成型的AZ31B镁合金,试件尺寸如图1所示,采用线切割方法沿垂直于挤压方向加工而成;加工完成后,依次采用800目、1000目和1500目的金相砂纸对试件表面进行打磨,使表面及线切割加工面光滑,粗糙度达Ra0.32-0.63 μm;试件表面涂上一层黑色的哑光漆,以增加热反射率。

疲劳实验设备为高频拉压疲劳试验机。疲劳载荷为拉-拉载荷,循环特征系数为0.1,振动频率为100 Hz;实验过程中用红外测温系统对试件表面温度的温度进行记录,红外热像仪记录温度的灵敏度为0.08 K,镁合金疲劳红外试验系统如图2所示。

镁合金在受到疲劳载荷时,外部施加的机械功会转化为其内部的内能,从而导致试件温度升高;当温度高于环境温度时,其内部的热量会向周围散失,温度差越大热量散失的速度就越快,所以,镁合金的温度在疲劳载荷下不会一直升高;当单位时间内试件内部产生的热量与散失到周围环境的热量相等时,镁合金的温度就会达到产热和散热的动态平衡。

选取动态平衡时刻的热像图对疲劳试件表面的温度分布进行分析(动态平衡时刻是指试件表面温度停止上升的时刻,在上述试验条件下不超过3分钟),此时的表面温度可以较为准确的表示试件内的热源强度分布;以试件中心为坐标零点,疲劳试件的水平中心线为X轴,垂直中心线为Y轴建立直角坐标系,如图3所示。

疲劳试件在疲劳试验机上受到轴向加载,受力方向与Y轴方向一致,因此可以认为试件每个横截面上的应力是均匀的,其大小等于施加在试件上的轴向载荷与该处横截面积的比值。如图4所示,疲劳试件横截面A(7)处的应力σA=F/SA,其中F为施加在试件轴向上的载荷,SA为疲劳试件横截面A(7)的面积;疲劳试件内的局部应力沿Y轴方向随着横截面积的增大,由中间向两端逐渐减小。

由上述模型计算疲劳试件在特定载荷下每一横截面处的内应力,同时利用相应的热像图计算每个横截面上的平均温度,从而获得单个疲劳试件在特定载荷下每个横截面上的平均温度和内应力的对应关系。

图5表示在不同载荷下镁合金疲劳试件上平均温度和内应力的对应关系。由于疲劳试件形状具有对称性,所以只对试件X轴以下部分进行讨论。其中115 MPa,110 MPa,105 MPa,100 MPa表示在相应载荷下,疲劳试件中部横截面最小处的内应力。

当施加的循环载荷大于金属材料的疲劳极限时,材料内部发生塑性变形并产生大量的热,并且载荷越大产热越多;当施加的循环载荷小于金属材料的疲劳极限时,材料只通过粘性效应产生很少量的热。

当疲劳试件受到较大载荷时(115 MPa),其内部应力全部大于疲劳极限,这时由于材料内部各个部分的产热都是由塑性变形产生的,属于同一温升机制,因此平均温度与内应力关系曲线为一条单一的直线,温度随内应力的增加呈线性增加,如图5(a)所示。

当疲劳试件受到较小载荷时(100 MPa),其内部应力全部小于疲劳极限。疲劳试件内部整体产热量较少,镁合金内部组织不均匀造成了局部的应力集中,这些应力集中处的产热会大于其他部分,引起平均温度与内应力关系曲线的不规律波动,如图5(d)所示。

在应力水平为110 MPa和105 MPa时,如图5(b、c)所示,镁合金疲劳试件内部仅有部分内应力高于镁合金的疲劳极限,这些部分产生的热量明显大于低于疲劳极限的部分,造成了平均温度与内应力关系曲线出现明显的转折,该转折点所对应的应力值可以被看作是镁合金的疲劳极限。转折点的位置可以通过对曲线两部分分别进行最小二乘法拟合,然后求两部分拟合直线交点的方式获得。

本次试验中测得的镁合金疲劳极限分别为103.70 MPa和104.84 MPa,与现有标准试验方法(GB/T 3075-2008金属材料疲劳试验轴向应力控制方法)求得的镁合金疲劳极限(100.39 MPa)相比误差分别为3.29 %和4.43 %,具有较高的准确性。两次测得的结果也十分接近,说明该方法具有较好的稳定性。

由上述分析可见,通过本发明中提出的方法得到的平均温度与内应力关系曲线,在特定的应力水平下出现相应的形状。通过分析曲线形状特征,便可以准确的判断疲劳试件的受力情况,进而求得镁合金的疲劳极限。采用本发明提出的镁合金疲劳性能快速分析方法不需要其他对比试验,因此很大程度上节省了试验时间和试验材料,具有明显的先进性。

应当理解的是,对本领域普通技术人员来说,可以根据上述说明加以改进或变换,而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

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