航空、航天、軌道交通等領(lǐng)域的金屬材料構(gòu)件在服役過程中承受著交變應(yīng)力，在低于材料屈服強(qiáng)度時(shí)構(gòu)件容易發(fā)生疲勞失效，極易造成嚴(yán)重的安全事故。統(tǒng)計(jì)表明，材料疲勞破壞在機(jī)械破壞中占比超過80%，因此對(duì)金屬材料的疲勞性能要求越來越高。研究人員采用不同方法對(duì)6082-T6軌道交通鋁合金母材及焊接材進(jìn)行疲勞極限測(cè)試，研究了不同方法對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響，為提高鋁合金材料疲勞性能測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性提供了理論基礎(chǔ)。
1、 試驗(yàn)材料與方法
1.1 試驗(yàn)材料的化學(xué)成分及其力學(xué)性能
試驗(yàn)選用材料為6082-T6鋁合金，材料厚度為6mm，母材的化學(xué)成分分析結(jié)果如表1所示，母材和焊接材的力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果如表2所示。
將母材和焊接材加工成15mm×6mm(長(zhǎng)度×寬度)的縱向矩形光滑試樣，試樣的結(jié)構(gòu)如圖1所示。
1.2 試驗(yàn)方法
依據(jù)GB/T3075—2021《金屬材料疲勞試驗(yàn)軸向力控制方法》進(jìn)行疲勞極限測(cè)試，試驗(yàn)設(shè)備為高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)，試驗(yàn)載荷波形為正弦波，試驗(yàn)頻率約為96Hz，應(yīng)力比R 為-1，疲勞極限指定循環(huán)次數(shù)為107次。
分別按照 HB/Z 112—1986 《材料疲勞試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)分析方法》、GB/T 24176—2009 《金屬材料疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)方案與分析方法》和 GB/T 12443—2007《金屬材料扭矩控制疲勞試驗(yàn)方法》中的3種數(shù)據(jù)分析方法獲得中值疲勞極限，并使用標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)偏量法和單邊誤差限法估計(jì)材料在置信度為95%、可靠度為90%條件下的安全疲勞極限，比較不同數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析方法獲得結(jié)果的差異。
2、 試驗(yàn)結(jié)果與討論
2.1 升降法測(cè)試疲勞極限
采用升降法測(cè)試材料的疲勞極限，有效試樣約為15根，在約4級(jí)應(yīng)力水平下進(jìn)行試驗(yàn)，應(yīng)力增量為預(yù)計(jì)疲勞極限的5%，使第一根試樣的應(yīng)力水平略高于預(yù)計(jì)疲勞極限；根據(jù)上一根試樣的測(cè)試結(jié)果決定下一根試樣的試驗(yàn)應(yīng)力，如果上一根試樣失效，則降低一級(jí)應(yīng)力，如果上一根試樣通過，則升高一級(jí)應(yīng)力，直至完成全部試驗(yàn)；根據(jù)有效數(shù)據(jù)的終點(diǎn)為“通過”或“失效”，設(shè)想在某一應(yīng)力水平還存在1個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，若該點(diǎn)與有效數(shù)據(jù)的起點(diǎn)位于同一應(yīng)力水平上,則表示閉合。采用升降法測(cè)試母材和焊接材疲勞極限的結(jié)果如表3，4所示。
根據(jù) HB/Z 112—1986，中值疲勞極限σ50的計(jì)算方法如式(1)所示。
疲勞極限子樣標(biāo)準(zhǔn)差S 的計(jì)算方法如式(2)所示。
變異系數(shù)Cv的計(jì)算方法如式(3)所示。
在已知置信度1-α、存活率p和變異系數(shù)Cv的條件下，通過查表可知升降法對(duì)子總數(shù)是否符合最少觀測(cè)數(shù)要求,如不符合則須增加試驗(yàn)對(duì)子數(shù)，如符合則安全疲勞極限σ(p，1-α)的計(jì)算方法如式(4)所示。
表5為依據(jù) HB/Z 112—1986獲得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可見當(dāng)對(duì)子總數(shù)為8個(gè)時(shí)，變異系數(shù)Cv應(yīng)小于0.04038，即可滿足置信度為95%、可靠度為90%條件下的安全疲勞極限σ(90，95)，誤差限度δ為5%。
根據(jù) GB/T 24176—2009，計(jì)算中值疲勞極限σ50 和安全疲勞極限σ(p，1-α)，以升降法中“失效”事件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，將應(yīng)力水平按升序排列，中值疲勞極限σ50和 安 全 疲勞極限σ(p，1-α)計(jì) 算 方 法 如 式(5)~(7)所示。
表6為依據(jù)GB/T 24176—2009獲得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。由 表5，6可知：依 據(jù) HB/Z 112—1986和GB/T 24176—2009獲得的材料中值疲勞強(qiáng)度結(jié)果相同，母材為113MPa，焊接材為91MPa；在置信度為95%、可靠度為90%的條件下，標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)偏量法和單邊誤差限法獲得的安全疲勞極限結(jié)果存在差異，采用標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)偏量法獲得的母材和焊接材的安全疲勞極限分別為108MPa和86MPa，采用單邊誤差限法獲得的母材和焊接材的安全疲勞極限分別為102MPa和82MPa。
依據(jù)HB/Z 112—1986進(jìn)行安全疲勞極限測(cè)試時(shí)，要求升降法滿足閉合條件，而依據(jù) GB/T 24176—2009進(jìn)行安全疲勞極限測(cè)試時(shí)，不要求升降法滿足閉合條件，因?yàn)樵摲椒ㄔ诓婚]合條件下也可計(jì)算試樣的子樣標(biāo)準(zhǔn)差。
2.2 波動(dòng)法測(cè)試疲勞極限
依據(jù)GB/T 12443—2007，采用波動(dòng)法測(cè)試材料的疲勞極限，約在3級(jí)的應(yīng)力水平下進(jìn)行試驗(yàn)，應(yīng)力增量為預(yù)計(jì)疲勞極限的3%~5%。每級(jí)應(yīng)力水平的試樣數(shù)量為兩根或兩根以上。符合下述情況之一的應(yīng)力水平即為中值疲勞極限。
(1)情況1，至指定循環(huán)次數(shù)時(shí)半數(shù)試樣“通過”的最高應(yīng)力水平，且在比該應(yīng)力水平低一級(jí)的應(yīng)力水平下，試驗(yàn)至指定循環(huán)次數(shù)時(shí)“通過”的試樣超過半數(shù)[見圖2a)]。
(2)情況2，如果在某級(jí)應(yīng)力水平下，超過半數(shù)的試樣未至指定循環(huán)次數(shù)就發(fā)生“失效”，而在比該應(yīng)力水平低一級(jí)的應(yīng)力水平下，試驗(yàn)至指定循環(huán)次數(shù)時(shí)全部試樣均“通過”，則上述兩級(jí)應(yīng)力水平的平均值為疲勞極限[見圖2b)]。
圖3為采用波動(dòng)法測(cè)試母材和焊接材疲勞極限的結(jié)果，試樣編號(hào)對(duì)應(yīng)表3，4中的試樣編號(hào)，其中最后一根試樣為所需應(yīng)力上的驗(yàn)證試樣。
由圖3可知：采用波動(dòng)法測(cè)得6082-T6母材和焊接材的中值疲勞極限分別為115MPa和90MPa，與升降法的測(cè)試結(jié)果分別相差2MPa和1MPa。該方法適用于試樣數(shù)量較少時(shí)的疲勞極限測(cè)試，升降法通常需要15根有效試樣，而該方法僅需5~8根試樣，與升降法測(cè)試結(jié)果差異在一個(gè)應(yīng)力臺(tái)階以內(nèi)，較單點(diǎn)法的測(cè)試結(jié)果更可靠，同時(shí)可縮短測(cè)試時(shí)間、降低測(cè)試成本。
3、 結(jié)論
(1)當(dāng)應(yīng)力比R為-1時(shí)，依據(jù)HB/Z 112—1986和GB/T 24176—2009，采用升降法測(cè)試6082-T6鋁合金母材和焊接材中值疲勞極限的結(jié)果表明：依據(jù)不同標(biāo)準(zhǔn)獲得的中值疲勞極限測(cè)試結(jié)果相同，母材和焊接材的中值疲勞極限測(cè)試結(jié)果分別為113MPa和91MPa。
(2)在置信度為95%、可靠度為90%的條件下，使用標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)偏量法獲得母材和焊接材的安全疲勞極限比使用單邊誤差限法獲得的安全疲勞極限高，主要原因?yàn)橛糜谟?jì)算的標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)偏量與單邊誤差限系數(shù)存在差異。
(3)采用升降法測(cè)試疲勞極限一般需要約15根有效試樣，而采用波動(dòng)法測(cè)試僅需5~8根試樣，兩者測(cè)試結(jié)果差異在一個(gè)應(yīng)力臺(tái)階以內(nèi)，采用波動(dòng)法進(jìn)行測(cè)試可顯著縮短測(cè)試時(shí)間、降低測(cè)試成本，在試樣數(shù)量較少時(shí)推薦使用波動(dòng)法。
作者：盧祥豐，鄭許，張江斌，莫紅樓，陸科呈，彭斐
單位：廣西南南鋁加工有限公司 廣西鋁合金材料與加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室
來源：《理化檢驗(yàn)-物理分冊(cè)》2023年第7期
京公網(wǎng)安備11010802046783號(hào)
