摘 要:依據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,使用標準正態偏量法和單邊誤差限法獲得材料的安全疲勞極 限。結果表明:依據 HB/Z112—1986和GB/T24176—2009,采用升降法測得的中值疲勞極限結 果相同,采用波動法測得的中值疲勞極限結果差異在一個應力臺階以內;采用標準正態偏量法測得 的安全疲勞極限結果較單邊誤差限法測得的安全疲勞極限結果高。

關鍵詞:6082-T6鋁合金;疲勞極限;升降法;波動法;標準正態偏量;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、軌道交通等領域的金屬材料構件在 服役過程中承受著交變應力,在低于材料屈服強度 時構件容易發生疲勞失效,極易造成嚴重的安全事 故。統計表明,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 法對測試結果的影響,為提高鋁合金材料疲勞性能 測試結果的準確性提供了理論基礎。

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果如表1所示,母材 和焊接材的力學性能測試結果如表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,試樣的結構如圖1所示。

1.2 試驗方法

依據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,應力比R 為-1,疲勞極限指定循環次數為 107 次。

分別按照 HB/Z112—1986《材料疲勞試驗統 計分析方法》、GB/T24176—2009 《金屬材料疲勞 試驗數據統計方案與分析方法》和 GB/T12443— 2007《金屬材料扭矩控制疲勞試驗方法》中的3種 數據分析方法獲得中值疲勞極限,并使用標準正態 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 據統計分析方法獲得結果的差異。

2 試驗結果與討論

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級應力水平下進行試驗,應 力增量為預計疲勞極限的5%,使第一根試樣的應 力水平略高于預計疲勞極限;根據上一根試樣的 測試結果決定下一根試樣的試驗應力,如果上一 根試樣失效,則降低一級應力,如果上一根試樣通 過,則升高一級應力,直至完成全部試驗;根據有 效數據的終點為“通過”或“失效”,設想在某一應 力水平還存在1個數據點,若該點與有效數據的 起點位于同一應力水平上,則表示閉合。采用升 降法測試母材和焊接材疲勞極限的結果如表3,4 所示。

根據 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,即子樣的一半;m* 為對子的 級數,即升降法級數減1;

為第i級 應力水平,σi+1 為第i+1級應力水平;V* i 為相鄰兩 級配成的對子數。

疲勞極限子樣標準差S的計算方法如式(2)所示。

變異系數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Cv 的 條件下,通過查表可知升降法對子總數是否符合最少 觀測數要求,如不符合則須增加試驗對子數,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 為標準正態偏量;β為標準差修正系數。

表5為依據 HB/Z112—1986獲得的試驗數 據,可見當對子總數為8個時,變異系數Cv 應小于 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 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 件進行統計分析,將應力水平按升序排列,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;d為指定應力臺階;k為單邊誤差限系數。

表6為依據GB/T24176—2009獲得的試驗數 據。由 表 5,6 可 知:依 據 HB/Z112—1986 和 GB/T24176—2009獲得的材料中值疲勞強度結果 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,標準正態偏量法 和單邊誤差限法獲得的安全疲勞極限結果存在差 異,采用標準正態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 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 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 GB/T12443—2007,采用波動法測試材 料的疲勞極限[3],約在3級的應力水平下進行試驗, 應力增量為預計疲勞極限的3%~5%。每級應力 水平的試樣數量為兩根或兩根以上。符合下述情況 之一的應力水平即為中值疲勞極限。

(1)情況1,至指定循環次數時半數試樣“通過” 的最高應力水平,且在比該應力水平低一級的應力 水平下,試驗至指定循環次數時“通過”的試樣超過 半數[見圖2a)]。

(2)情況2,如果在某級應力水平下,超過半數 的試樣未至指定循環次數就發生“失效”,而在比該 應力水平低一級的應力水平下,試驗至指定循環次 數時全部試樣均“通過”,則上述兩級應力水平的平 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 的結果,試樣編號對應表3,4中的試樣編號,其中最 后一根試樣為所需應力上的驗證試樣。

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,與升降法的測試結果分別相差2 MPa和 1MPa。該方法適用于試樣數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,與升降法測試結果差異在一個應力 臺階以內,較單點法的測試結果更可靠,同時可縮短 測試時間、降低測試成本。

3 結論

(1)當 應 力 比R為 -1時 ,依 據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果表明: 依據不同標準獲得的中值疲勞極限測試結果相同, 母材和焊接材的中值疲勞極限測試結果分別為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偏量與單邊誤 差限系數存在差異。

(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, 兩者測試結果差異在一個應力臺階以內,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 試樣數量較少時推薦使用波動法。

參考文獻:

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<文章來源 > 材料與測試網 > 期刊論文 > 理化檢驗－物理分冊 > 59卷 > 7期 (pp:30-33)>