一种预测镁合金构件疲劳极限的方法与流程

本发明一种预测镁合金构件疲劳极限的方法，属于镁合金材料疲劳危险点的测量及疲劳极限预测的应用领域。

背景技术：

镁合金是最轻的金属结构材料，具有密度低、比强度和比刚度高、阻尼减震性好、机加工性能优良、零件尺寸稳定、易回收等特点，在“陆、海、空、天”等交通运载装备行业具有潜在的应用价值。同时，这些结构都离不开焊接技术的支持，都承受疲劳载荷的作用，容易产生疲劳失效。

疲劳断裂是金属材料及其焊接结构失效的一种主要形式，它发生在承受交变或脉动应变的结构中，一般来说，对应于疲劳破坏时的最大应力要低于材料的抗拉强度，甚至低于材料的屈服点。统计资料表明，在随动载结构的断裂失效中，有70 %~90 %的事故是由于焊接接头的疲劳断裂造成的，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和痛苦。

目前镁合金结构的疲劳性能的确定主要是通过试验的手段进行，通常金属材料疲劳性能测量方法需要经过多个试件进行上百万周次的循环试验，其中升降法一种就需要13个以上的试件。而有色金属如镁合金由于其特殊的组织结构，没有明显的疲劳极限，试验循环次数更可达上千万次。不仅耗费大量的人力、物力，而且浪费大量的时间，需要几天甚至几个月的时间才可以对一种材料的疲劳寿命进行评估和预测。

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)，及一种基于镁合金试件表面温度特征的疲劳分析方法（专利号：ZL201410263559.3）被提出，这两种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及不同截面上的温升值，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，这两种方法需要使用红外热像仪，设备费用及使用条件较为苛刻，试验过程不够简便，不利于推广使用。

技术实现要素：

本发明一种预测镁合金构件疲劳极限的方法，目的在于：针对背景技术的状况，使用低周疲劳试验机，基于材料及其构件在承受较高循环载荷的过程中的不可逆损伤理论，在载荷大于疲劳极限疲劳强度时，材料的非弹性效应所引起的不可逆变形及加工硬化现象，低于疲劳极限时不出现明显加工硬化现象，依据动态载荷变化时所对应动态应变稳定值的变化规律，建立平均循环应变曲线演变规律的镁合金构件疲劳极限预测的方法。

本发明一种预测镁合金构件疲劳极限的方法，其特征在于包括如下步骤：

第一，根据国标GB/T 228-2008加工镁合金疲劳试样；

第二，根据标准规定的试验方法，将疲劳试样夹持在疲劳试验机上，拉伸试验仪器采用SDS-100动静疲劳试验机测试系统，同时在待测试样上安装动态引伸计，加载过程中记录每一加载循环次数下的动态应力、动态应变数值；

第三，将实验所得的疲劳数据,求出对应循环次数下的平均应变，公式如下：

（1）

其中ε_r为第r 次的应变平均值，ε_rmax 和 ε_rmin 分别为第r 次循环时应变最大值和最小值；

第四，利用公式（1）减去初始平均应变得出平均应变范围；

（2）

其中ε₁为初始平均应变；

第五，将各应力下的∆ε_r与循环次数N 曲线绘制在同一坐标系中，取各应力下曲线∆ε_r的稳定值∆ε_s；

第六，将实验所得的各应力下疲劳数据(∆ε_s和σ_max)绘制在双对数坐标(lg∆ε_s－lgσ_max)中；

第七，将绘制的点图进行线性拟合,求两直线交点对应循环载荷并与常规实验结果进行数据比较和误差分析。

本发明一种预测镁合金构件疲劳极限的方法的优点在于：该方法是针对金属材料在承受疲劳载荷作用时，产生的不可逆变形，通过动态引伸计进行测量材料的动态应力-应变曲线，采用平均应变稳定值∆ε_s与对应循环载荷σ_max进行分段拟合，确定材料或结构的危险载荷，利用线性交点得出的疲劳极限,与背景技术相比具有明显的先进性，此方法工艺先进合理，连续紧凑，可以用来对在役镁合金结构的疲劳极限进行估算。

附图说明

图1 镁合金疲劳试验系统图

图中标记清单如下：

1 疲劳试验系统，2 疲劳卡具，3 镁合金疲劳试件，4 疲劳试验控制装置，5 动态引伸计，6 综合分析系统。

图2 镁合金板材疲劳试件结构示意图

图3为本发明的镁合金板材不同载荷下的平均循环应变曲线初始升高段图

图中标记清单如下：

(L2对应140MPa、L3对应130 MPa、L4对应120 MPa、L5 对应110MPa、L6 对应100MPa、L7对应 90MPa、L8对应70 MPa、L9 对应50MPa、L10对应30 MPa)

图4为本发明的镁合金板材不同载荷下的平均循环应变稳定值分段拟合直线及疲劳极限确定点图

图中标记清单如下：

P1为平均循环应变稳定值较大的测定点、P2为平均循环应变稳定值较小的测定点、L11为对平均循环应变稳定值较小的测定点拟合直线、L12为对平均循环应变稳定值较大的测定点拟合直线、A点为两直线交点，对应镁合金疲劳极限。

图5为常方法得到疲劳S-N曲线

图中标记清单如下：

D为实验所得断裂试样循环应力所对应循环次数，W为未断裂试样循环应力所对应循环次数，L12为双对数拟合直线。

具体实施方式

一种预测镁合金构件疲劳极限方法，包括有如下步骤：

使用的化学物质材料为：镁合金板、乙醇、自动铅笔、刻度尺和砂纸，其准备用量如下：以毫米、毫升为计量单位

镁合金板：AZ31B 300 mm×300 mm×5mm 3块

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

第一 试件加工及准备

① 根据GB/T 228-2008标准加工出15个AZ31B镁合金疲劳试样，试样轴向为板材轧制方向；

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R_a=0.32-0.63 μm；

③ 用乙醇擦洗疲劳试件，使试件表面洁净；

第二 加载试件及试验准备

将疲劳试样装载在疲劳试验机上，将动态引伸计夹在试样标距内，设备软、硬件调零，调整好疲劳试验参数；

第三 疲劳参数设置

每个试样对应一个应力参数，循环最大应力分别采用140 MPa、130 MPa 120 MPa、110 MPa、100 MPa、90 MPa、70 MPa、50 MPa、30 MPa，载循环特征系数为0.1，谐振频率为1 Hz；

第四 疲劳试验数据采集

实验同时使用动态引伸计对应力应变数据进行采集，实验循环次数为25000时停止；

第五 实验数据处理及分析

① 分析动态引伸计测得的试验结果，基于公式（1）提取试件在疲劳载荷作用下的应变平均值数据；

（1）

其中ε_r为第r 次的应变平均值，ε_rmax 和 ε_rmin 分别为第r 次循环时应变最大值和最小值。

② 利用公式（1）减去初始平均应变得出平均应变范围；

（2）

其中ε₁为初始平均应变。

第六，将各应力下的∆ε_r与循环次数N曲线绘制在同一坐标系中，取各应力下曲线∆ε_r的在循环次数为25000时的稳定值∆ε_s

第七，利用origin软件将实验所得的各应力下疲劳数据(∆ε_s和σ_max)绘制在双对数坐标(lg∆ε_s－lgσ_max)中；利用曲线突变点确定镁合金板材的疲劳极限94.05MPa；

第八 利用常规疲劳试验所得S-N曲线，在10⁷时的疲劳极限为90.43MPa。将步骤七得到的疲劳极限与常规疲劳试验结果进行对比，得出基于平均应变稳定值∆ε_s确定镁合金疲劳极限的相对误差为4.3%。

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。