焊接件旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞極限性能研究

董 俊

(哈爾濱東安發(fā)動(dòng)機(jī)(集團(tuán))有限公司， 哈爾濱 150066)

工程上有許多機(jī)件在服役過(guò)程中，既使交變應(yīng)力低于材料的屈服強(qiáng)度，經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間工作也會(huì)發(fā)生斷裂，所以研究材料在交變載荷作用下，金屬所承受的交變應(yīng)力與壽命之間的關(guān)系來(lái)預(yù)測(cè)機(jī)件的疲勞壽命是十分重要的。本文為確定焊接件的旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞極限，采用光滑圓柱試樣，在室溫環(huán)境下，分別對(duì)8根試樣進(jìn)行了3個(gè)應(yīng)力級(jí)別的試驗(yàn)研究，并對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析。

1 試驗(yàn)原理及試樣

1.1 試驗(yàn)原理

試驗(yàn)時(shí)，試樣被夾緊，并隨主軸一起旋轉(zhuǎn)，負(fù)荷通過(guò)卡箍、拉桿等機(jī)件作用在試樣的兩端，因?yàn)樨?fù)荷方向不變，試樣在旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下受彎曲應(yīng)力，每一點(diǎn)的應(yīng)力都是隨試樣旋轉(zhuǎn)而做相同速度的反復(fù)變化。在試樣的工作面的全長(zhǎng)受到均勻分布的純彎曲力矩的作用，循環(huán)應(yīng)力和純彎曲力矩如圖1、圖2。

圖1 循環(huán)應(yīng)力

圖2中ABCD為試樣支撐點(diǎn)到力作用點(diǎn)的距離a即為力臂。BC表示試樣工作長(zhǎng)度L，試樣在CD長(zhǎng)度內(nèi)受等彎矩的作用，作用在試樣上的力為Q。由純彎曲應(yīng)力計(jì)算公式：σ=M/W，其中M=Qa/2；W=πd3/32所以σ=16Qa/πd3

式中：M—試樣危險(xiǎn)截面彎曲力矩，kgf·mm；W—圓柱形試樣的抗彎截面系數(shù)，mm3；d—試樣危險(xiǎn)截面的直徑，mm；Q—施加在試樣上的總負(fù)荷，kgf。

1.2 試樣

試樣類(lèi)型為光滑圓形長(zhǎng)試樣,制備試樣時(shí)不應(yīng)因加工而改變?cè)嚇拥钠谛阅堋Ｒ驗(yàn)樵诮蛔冚d荷作用下，金屬的不均勻滑移主要集中在金屬表面，疲勞裂紋也常常產(chǎn)生在表面，所以試樣的表面狀態(tài)對(duì)疲勞極限影響很大，表面的劃痕、磨裂等微小而鋒利的缺口一樣引起應(yīng)力集中，使疲勞極限降低。表面光潔程度越高，材料的疲勞極限越高，材料的疲勞極限越高，表面光潔程度對(duì)疲勞極限影響越顯著。因此在制備試樣時(shí)應(yīng)嚴(yán)格按車(chē)削粗加工、車(chē)削精加工、磨削精加工及表面拋光等工藝加工試樣。旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試樣如圖3。

圖2 和純彎曲力矩

1.3 升降法試驗(yàn)[1]

由于疲勞數(shù)據(jù)在低應(yīng)力水平存在較大的分散性，用常規(guī)的成組試驗(yàn)法很難測(cè)出疲勞極限，所以采用升降法試驗(yàn)來(lái)進(jìn)行試驗(yàn)。

圖3 旋轉(zhuǎn)變曲疲勞光滑園柱試樣

測(cè)定焊接件在長(zhǎng)壽命區(qū)指定壽命(N0=107)下的疲勞極限。本次試驗(yàn)有效試樣數(shù)量為8根；光滑試樣的應(yīng)力級(jí)差選擇在預(yù)計(jì)疲勞極限的5%以?xún)?nèi)，選為5MPa；升降的應(yīng)力水平為3級(jí)。

本次試驗(yàn)首先選用220MPa作為預(yù)計(jì)加載應(yīng)力，隨后試樣的加載應(yīng)力取決于前一根試樣的試驗(yàn)結(jié)果。如果試樣在到達(dá)指定疲勞壽命之前發(fā)生斷裂則稱(chēng)作“破壞”(用×標(biāo)記試驗(yàn)點(diǎn))，如到達(dá)指定疲勞壽命未發(fā)生斷裂則稱(chēng)作“越出”(用○標(biāo)記試驗(yàn)點(diǎn))。根據(jù)上一根試樣的試驗(yàn)結(jié)果(越出或破壞)決定下一根試樣的試驗(yàn)應(yīng)力水平(降低或升高)，若上一根試樣在達(dá)到規(guī)定的循環(huán)次數(shù)以前破壞，則下一根試樣的試驗(yàn)應(yīng)力降低一個(gè)級(jí)差；反之，上一根試樣越出則下一根試樣的試驗(yàn)應(yīng)力增加一個(gè)級(jí)差，直到完成全部試驗(yàn)。表1為試驗(yàn)數(shù)據(jù)，圖4為各試樣在循環(huán)應(yīng)力作用下的升降圖。

根據(jù)升降圖，最后一個(gè)有效數(shù)據(jù)點(diǎn)的為越出○時(shí)，它的下一個(gè)數(shù)據(jù)恰好回到第一個(gè)有效數(shù)據(jù)

表1 疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖4 升降圖

點(diǎn)，此升降圖可閉合。將相鄰應(yīng)力級(jí)的各數(shù)據(jù)點(diǎn)配成對(duì)子。配對(duì)時(shí)，從第一次出現(xiàn)相反結(jié)果的兩個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)為有效數(shù)據(jù)點(diǎn)，即圖中第二點(diǎn)和第三點(diǎn)。圖中有效數(shù)據(jù)點(diǎn)共8個(gè)，恰好配成4對(duì)，如表2所示，ni，為第I個(gè)和第i+1相鄰兩極間的對(duì)子數(shù)。

表2 升降法配對(duì)子

根據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)觀點(diǎn)，疲勞極限定義為：“指定循環(huán)基數(shù)N0下的疲勞強(qiáng)度估計(jì)量”這樣，當(dāng)應(yīng)力σi遵循正態(tài)分布時(shí)，取子樣平均值作為母體中值估計(jì)量，疲勞極限σD應(yīng)等于以ni，為權(quán)的σDi加權(quán)平均值。

(1)

由表3可知：當(dāng)觀測(cè)值為3時(shí)Cv=0.021就可以滿(mǎn)足置信度γ=95%的要求，本次試驗(yàn)值為0.0117，小于0.021，滿(mǎn)足要求。

表3 若取置信度γ=95%，相對(duì)誤差δ=±5%最少觀測(cè)值個(gè)數(shù)

2 結(jié)語(yǔ)

焊接件的疲勞極限為213.75MPa ，來(lái)預(yù)測(cè)機(jī)件的疲勞壽命，作為設(shè)計(jì)參考數(shù)據(jù)無(wú)論從基礎(chǔ)理論還是實(shí)際應(yīng)用都具有重大意義。

[1]金屬室溫旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)方法HB5142-1996[S].

[2]蘇彬等. 疲勞與斷裂2000[M].氣象出版社，2000.