摘 要:依據(jù)3種標(biāo)準(zhǔn)方法對(duì)6082-T6鋁合金母材和焊接材料進(jìn)行疲勞極限測(cè)試,使用升降法 和波動(dòng)法獲得材料的中值疲勞極限,使用標(biāo)準(zhǔn)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(cè)得的中值疲勞極限結(jié) 果相同,采用波動(dòng)法測(cè)得的中值疲勞極限結(jié)果差異在一個(gè)應(yīng)力臺(tái)階以內(nèi);采用標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)偏量法測(cè)得 的安全疲勞極限結(jié)果較單邊誤差限法測(cè)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(dòng)法;標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)偏量;單邊誤差限

中圖分類號(hào):TB31;TG115.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào):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(guò)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(guò)80%,因此對(duì)金屬材料的疲勞性能要求越來(lái)越 高。筆者采用不同方法對(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/Z112—1986《材料疲勞試驗(yàn)統(tǒng) 計(jì)分析方法》、GB/T24176—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/T12443— 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[1-2],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(guò),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(guò)”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/Z112—1986,中值疲勞極限σ50 的計(jì) 算方法如式(1)所示。

式中:n* 為對(duì)子總數(shù),即子樣的一半;m* 為對(duì)子的 級(jí)數(shù),即升降法級(jí)數(shù)減1;

為第i級(jí) 應(yīng)力水平,σi+1 為第i+1級(jí)應(yīng)力水平;V* i 為相鄰兩 級(jí)配成的對(duì)子數(shù)。

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(guò)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。

式中:up 為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)偏量;β為標(biāo)準(zhǔn)差修正系數(shù)。

表5為依據(jù) HB/Z112—1986獲得的試驗(yàn)數(shù) 據(jù),可見(jiàn)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/T24176—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。

式中:σ0 為“失效”事件中最低一級(jí)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(tái)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(yàn)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(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/Z112—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/T24176—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/T12443—2007,采用波動(dòng)法測(cè)試材 料的疲勞極限[3],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(guò)” 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(guò)”的試樣超過(guò) 半數(shù)[見(jiàn)圖2a)]。

(2)情況2,如果在某級(jí)應(yīng)力水平下,超過(guò)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(guò)”,則上述兩級(jí)應(yīng)力水平的平 均值為疲勞極限[見(jiàn)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 115 MPa 和 90MPa,與升降法的測(cè)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(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/Z112— 1986和GB/T24176—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113 MPa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。

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