分享：鋁合金疲勞極限的測試方法
摘 要:依據(jù)3種標準方法對6082-T6鋁合金母材和焊接材料進行疲勞極限測試,使用升降法 和波動法獲得材料的中值疲勞極限,使用標準正態(tài)偏量法和單邊誤差限法獲得材料的安全疲勞極 限。結(jié)果表明:依據(jù) HB/Z112—1986和GB/T24176—2009,采用升降法測得的中值疲勞極限結(jié) 果相同,采用波動法測得的中值疲勞極限結(jié)果差異在一個應(yīng)力臺階以內(nèi);采用標準正態(tài)偏量法測得 的安全疲勞極限結(jié)果較單邊誤差限法測得的安全疲勞極限結(jié)果高。
關(guān)鍵詞:6082-T6鋁合金;疲勞極限;升降法;波動法;標準正態(tài)偏量;單邊誤差限
中圖分類號:TB31;TG115.5 文獻標志碼:A 文章編號:1001-4012(2023)07-0030-04
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,在低于材料屈服強度 時構(gòu)件容易發(fā)生疲勞失效,極易造成嚴重的安全事 故。統(tǒng)計表明,材料疲勞破壞在機械破壞中占比超 過80%,因此對金屬材料的疲勞性能要求越來越 高。筆者采用不同方法對6082-T6軌道交通鋁合 金母材及焊接材進行疲勞極限測試,研究了不同方 法對測試結(jié)果的影響,為提高鋁合金材料疲勞性能 測試結(jié)果的準確性提供了理論基礎(chǔ)。
1 試驗材料與方法
1.1 試驗材料的化學成分及其力學性能
試驗選用材料為6082-T6鋁合金,材料厚度為 6mm,母材的化學成分分析結(jié)果如表1所示,母材 和焊接材的力學性能測試結(jié)果如表2所示。
將母材和焊接材加工成15mm×6mm(長度× 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 試驗方法
依據(jù)GB/T3075—2021《金屬材料疲勞試驗軸 向力控制方法》進行疲勞極限測試,試驗設(shè)備為高頻 疲勞試驗機,試驗載荷波形為正弦波,試驗頻率約為 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/Z112—1986《材料疲勞試驗統(tǒng) 計分析方法》、GB/T24176—2009 《金屬材料疲勞 試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計方案與分析方法》和 GB/T12443— 2007《金屬材料扭矩控制疲勞試驗方法》中的3種 數(shù)據(jù)分析方法獲得中值疲勞極限,并使用標準正態(tài) 偏量法和單邊誤差限法估計材料在置信度為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)計分析方法獲得結(jié)果的差異。
2 試驗結(jié)果與討論
2.1 升降法測試疲勞極限
采用升降法測試材料的疲勞極限,有效試樣 約為15根[1-2],在約4級應(yīng)力水平下進行試驗,應(yīng) 力增量為預計疲勞極限的5%,使第一根試樣的應(yīng) 力水平略高于預計疲勞極限;根據(jù)上一根試樣的 測試結(jié)果決定下一根試樣的試驗應(yīng)力,如果上一 根試樣失效,則降低一級應(yīng)力,如果上一根試樣通 過,則升高一級應(yīng)力,直至完成全部試驗;根據(jù)有 效數(shù)據(jù)的終點為“通過”或“失效”,設(shè)想在某一應(yīng) 力水平還存在1個數(shù)據(jù)點,若該點與有效數(shù)據(jù)的 起點位于同一應(yīng)力水平上,則表示閉合。采用升 降法測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/Z112—1986,中值疲勞極限σ50 的計 算方法如式(1)所示。
式中:n* 為對子總數(shù),即子樣的一半;m* 為對子的 級數(shù),即升降法級數(shù)減1;
為第i級 應(yīng)力水平,σi+1 為第i+1級應(yīng)力水平;V* i 為相鄰兩 級配成的對子數(shù)。
疲勞極限子樣標準差S的計算方法如式(2)所示。
變異系數(shù)Cv 的計算方法如式(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子總數(shù)是否符合最少 觀測數(shù)要求,如不符合則須增加試驗對子數(shù),如符合則安全疲勞極限σ(p,1-α)的計算方法如式(4)所示。
式中:up 為標準正態(tài)偏量;β為標準差修正系數(shù)。
表5為依據(jù) HB/Z112—1986獲得的試驗數(shù) 據(jù),可見當對子總數(shù)為8個時,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/T24176—2009,計算中值疲勞極限 σ50 和安全疲勞極限σ(p,1-α),以升降法中“失效”事 件進行統(tǒng)計分析,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)計算方法如式 (5)~(7)所示。
式中:σ0 為“失效”事件中最低一級應(yīng)力水平;A=∑ l i=1 i fi;C=∑ l i=1fi;D= BC-A2 C2 ,B=∑ l i=1 i2fi;fi 為“失效” 事件數(shù);d為指定應(yīng)力臺階;k為單邊誤差限系數(shù)。
表6為依據(jù)GB/T24176—2009獲得的試驗數(shù) 據(jù)。由 表 5,6 可 知:依 據(jù) HB/Z112—1986 和 GB/T24176—2009獲得的材料中值疲勞強度結(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,標準正態(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,采用標準正態(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/Z112—1986進行安全疲勞極限測試 時,要 求 升 降 法 滿 足 閉 合 條 件,而 依 據(jù) GB/T24176—2009進行安全疲勞極限測試時,不要求升 降法滿足閉合條件,因為該方法在不閉合條件下也 可計算試樣的子樣標準差。
2.2 波動法測試疲勞極限
依據(jù) GB/T12443—2007,采用波動法測試材 料的疲勞極限[3],約在3級的應(yīng)力水平下進行試驗, 應(yīng)力增量為預計疲勞極限的3%~5%。每級應(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)力水平低一級的應(yīng)力 水平下,試驗至指定循環(huán)次數(shù)時“通過”的試樣超過 半數(shù)[見圖2a)]。
(2)情況2,如果在某級應(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)力水平低一級的應(yīng)力水平下,試驗至指定循環(huán)次 數(shù)時全部試樣均“通過”,則上述兩級應(yīng)力水平的平 均值為疲勞極限[見圖2b)]。
圖3為采用波動法測試母材和焊接材疲勞極限 的結(jié)果,試樣編號對應(yīng)表3,4中的試樣編號,其中最 后一根試樣為所需應(yīng)力上的驗證試樣。
由圖3可知:采用波動法測得6082-T6母材和 焊 接 材 的 中 值 疲 勞 極 限 分 別 為 115 MPa 和 90MPa,與升降法的測試結(jié)果分別相差2 MPa和 1MPa。該方法適用于試樣數(shù)量較少時的疲勞極限 測試,升降法通常需要15根有效試樣,而該方法僅需5~8根試樣,與升降法測試結(jié)果差異在一個應(yīng)力 臺階以內(nèi),較單點法的測試結(jié)果更可靠,同時可縮短 測試時間、降低測試成本。
3 結(jié)論
(1)當 應(yīng) 力 比R為 -1時 ,依 據(jù)HB/Z112— 1986和GB/T24176—2009,采用升降法測試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)不同標準獲得的中值疲勞極限測試結(jié)果相同, 母材和焊接材的中值疲勞極限測試結(jié)果分別為113 MPa和91MPa。
(2)在置信度為95%、可靠度為90%的條件 下,使用標準正態(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,主要原因為用于計算的標準正態(tài)偏量與單邊誤 差限系數(shù)存在差異。
(3)采用升降法測試疲勞極限一般需要約15 根有效試樣,而采用波動法測試僅需5~8根試樣, 兩者測試結(jié)果差異在一個應(yīng)力臺階以內(nèi),采用波動 法進行測試可顯著縮短測試時間、降低測試成本,在 試樣數(shù)量較少時推薦使用波動法。
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<文章來源 > 材料與測試網(wǎng) > 期刊論文 > 理化檢驗－物理分冊 > 59卷 > 7期 (pp:30-33)>
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