分享：铝合金疲劳极限的测试方法
摘 要:依据3种标准方法对6082-T6铝合金母材和焊接材料进行疲劳极限测试,使用升降法 和波动法获得材料的中值疲劳极限,使用标准正态偏量法和单边误差限法获得材料的安全疲劳极 限。结果表明:依据 HB/Z112—1986和GB/T24176—2009,采用升降法测得的中值疲劳极限结 果相同,采用波动法测得的中值疲劳极限结果差异在一个应力台阶以内;采用标准正态偏量法测得 的安全疲劳极限结果较单边误差限法测得的安全疲劳极限结果高。
关键词:6082-T6铝合金;疲劳极限;升降法;波动法;标准正态偏量;单边误差限
中图分类号:TB31;TG115.5 文献标志码:A 文章编号:1001-4012(2023)07-0030-04
航空、航天、轨道交通等领域的金属材料构件在 服役过程中承受着交变应力,在低于材料屈服强度 时构件容易发生疲劳失效,极易造成严重的安全事 故。统计表明,材料疲劳破坏在机械破坏中占比超 过80%,因此对金属材料的疲劳性能要求越来越 高。笔者采用不同方法对6082-T6轨道交通铝合 金母材及焊接材进行疲劳极限测试,研究了不同方 法对测试结果的影响,为提高铝合金材料疲劳性能 测试结果的准确性提供了理论基础。
1 试验材料与方法
1.1 试验材料的化学成分及其力学性能
试验选用材料为6082-T6铝合金,材料厚度为 6mm,母材的化学成分分析结果如表1所示,母材 和焊接材的力学性能测试结果如表2所示。
将母材和焊接材加工成15mm×6mm(长度× 宽度)的纵向矩形光滑试样,试样的结构如图1所示。
1.2 试验方法
依据GB/T3075—2021《金属材料疲劳试验轴 向力控制方法》进行疲劳极限测试,试验设备为高频 疲劳试验机,试验载荷波形为正弦波,试验频率约为 96Hz,应力比R 为-1,疲劳极限指定循环次数为 107 次。
分别按照 HB/Z112—1986《材料疲劳试验统 计分析方法》、GB/T24176—2009 《金属材料疲劳 试验数据统计方案与分析方法》和 GB/T12443— 2007《金属材料扭矩控制疲劳试验方法》中的3种 数据分析方法获得中值疲劳极限,并使用标准正态 偏量法和单边误差限法估计材料在置信度为95%、 可靠度为90%条件下的安全疲劳极限,比较不同数 据统计分析方法获得结果的差异。
2 试验结果与讨论
2.1 升降法测试疲劳极限
采用升降法测试材料的疲劳极限,有效试样 约为15根[1-2],在约4级应力水平下进行试验,应 力增量为预计疲劳极限的5%,使第一根试样的应 力水平略高于预计疲劳极限;根据上一根试样的 测试结果决定下一根试样的试验应力,如果上一 根试样失效,则降低一级应力,如果上一根试样通 过,则升高一级应力,直至完成全部试验;根据有 效数据的终点为“通过”或“失效”,设想在某一应 力水平还存在1个数据点,若该点与有效数据的 起点位于同一应力水平上,则表示闭合。采用升 降法测试母材和焊接材疲劳极限的结果如表3,4 所示。
根据 HB/Z112—1986,中值疲劳极限σ50 的计 算方法如式(1)所示。
式中:n* 为对子总数,即子样的一半;m* 为对子的 级数,即升降法级数减1;
为第i级 应力水平,σi+1 为第i+1级应力水平;V* i 为相邻两 级配成的对子数。
疲劳极限子样标准差S的计算方法如式(2)所示。
变异系数Cv 的计算方法如式(3)所示。
在已知置信度1-α、存活率p和变异系数Cv 的 条件下,通过查表可知升降法对子总数是否符合最少 观测数要求,如不符合则须增加试验对子数,如符合则安全疲劳极限σ(p,1-α)的计算方法如式(4)所示。
式中:up 为标准正态偏量;β为标准差修正系数。
表5为依据 HB/Z112—1986获得的试验数 据,可见当对子总数为8个时,变异系数Cv 应小于 0.04038,即可满足置信度为95%、可靠度为90%条 件下的安全疲劳极限σ(90,95),误差限度δ为5%。
根据 GB/T24176—2009,计算中值疲劳极限 σ50 和安全疲劳极限σ(p,1-α),以升降法中“失效”事 件进行统计分析,将应力水平按升序排列,中值疲劳 极限σ50 和安全疲劳极限σ(p,1-α)计算方法如式 (5)~(7)所示。
式中:σ0 为“失效”事件中最低一级应力水平;A=∑ l i=1 i fi;C=∑ l i=1fi;D= BC-A2 C2 ,B=∑ l i=1 i2fi;fi 为“失效” 事件数;d为指定应力台阶;k为单边误差限系数。
表6为依据GB/T24176—2009获得的试验数 据。由 表 5,6 可 知:依 据 HB/Z112—1986 和 GB/T24176—2009获得的材料中值疲劳强度结果 相同,母材为113MPa,焊接材为91MPa;在置信度 为95%、可靠度为90%的条件下,标准正态偏量法 和单边误差限法获得的安全疲劳极限结果存在差 异,采用标准正态偏量法获得的母材和焊接材的安 全疲劳极限分别为108MPa和86MPa,采用单边 误差限法获得的母材和焊接材的安全疲劳极限分别 为102MPa和82MPa。
依据 HB/Z112—1986进行安全疲劳极限测试 时,要 求 升 降 法 满 足 闭 合 条 件,而 依 据 GB/T24176—2009进行安全疲劳极限测试时,不要求升 降法满足闭合条件,因为该方法在不闭合条件下也 可计算试样的子样标准差。
2.2 波动法测试疲劳极限
依据 GB/T12443—2007,采用波动法测试材 料的疲劳极限[3],约在3级的应力水平下进行试验, 应力增量为预计疲劳极限的3%~5%。每级应力 水平的试样数量为两根或两根以上。符合下述情况 之一的应力水平即为中值疲劳极限。
(1)情况1,至指定循环次数时半数试样“通过” 的最高应力水平,且在比该应力水平低一级的应力 水平下,试验至指定循环次数时“通过”的试样超过 半数[见图2a)]。
(2)情况2,如果在某级应力水平下,超过半数 的试样未至指定循环次数就发生“失效”,而在比该 应力水平低一级的应力水平下,试验至指定循环次 数时全部试样均“通过”,则上述两级应力水平的平 均值为疲劳极限[见图2b)]。
图3为采用波动法测试母材和焊接材疲劳极限 的结果,试样编号对应表3,4中的试样编号,其中最 后一根试样为所需应力上的验证试样。
由图3可知:采用波动法测得6082-T6母材和 焊 接 材 的 中 值 疲 劳 极 限 分 别 为 115 MPa 和 90MPa,与升降法的测试结果分别相差2 MPa和 1MPa。该方法适用于试样数量较少时的疲劳极限 测试,升降法通常需要15根有效试样,而该方法仅需5~8根试样,与升降法测试结果差异在一个应力 台阶以内,较单点法的测试结果更可靠,同时可缩短 测试时间、降低测试成本。
3 结论
(1)当 应 力 比R为 -1时 ,依 据HB/Z112— 1986和GB/T24176—2009,采用升降法测试6082- T6铝合金母材和焊接材中值疲劳极限的结果表明: 依据不同标准获得的中值疲劳极限测试结果相同, 母材和焊接材的中值疲劳极限测试结果分别为113 MPa和91MPa。
(2)在置信度为95%、可靠度为90%的条件 下,使用标准正态偏量法获得母材和焊接材的安全 疲劳极限比使用单边误差限法获得的安全疲劳极限 高,主要原因为用于计算的标准正态偏量与单边误 差限系数存在差异。
(3)采用升降法测试疲劳极限一般需要约15 根有效试样,而采用波动法测试仅需5~8根试样, 两者测试结果差异在一个应力台阶以内,采用波动 法进行测试可显著缩短测试时间、降低测试成本,在 试样数量较少时推荐使用波动法。
参考文献:
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<文章来源 > 材料与测试网 > 期刊论文 > 理化检验－物理分册 > 59卷 > 7期 (pp:30-33)>
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