6005A焊接件在給定疲勞壽命下中值疲勞強(qiáng)度的研究

那熙君，王 宇，李恩波，秦世龍，李澤越

(遼寧忠旺集團(tuán)有限公司，遼寧 遼陽(yáng)111003)

疲勞是一種隱藏的破壞形式，疲勞破壞時(shí)時(shí)刻刻都在進(jìn)行，并且?guī)缀醪豢赡鼙苊?。金屬、混凝土、橡膠和復(fù)合材料等各種材料，在載荷的反復(fù)作用下，都會(huì)出現(xiàn)疲勞現(xiàn)象[1]。鋁合金在使用過(guò)程中有時(shí)會(huì)出現(xiàn)難以檢測(cè)和預(yù)防的疲勞斷裂，疲勞斷裂是由于材料經(jīng)過(guò)交變應(yīng)力和應(yīng)變的長(zhǎng)期作用，表面或內(nèi)部產(chǎn)生微觀裂紋，累積損傷使裂紋達(dá)到臨界尺寸后，構(gòu)件在無(wú)法承受某一次應(yīng)力時(shí)突然斷裂[2]。材料的化學(xué)成分，熱處理狀態(tài)，外部的表面狀態(tài)，會(huì)存在著微小的差別。即使實(shí)驗(yàn)控制的十分精準(zhǔn)，疲勞測(cè)試結(jié)果也會(huì)有很大的差異[3]，說(shuō)明疲勞失效具有隨機(jī)性。中值疲勞強(qiáng)度是指疲勞強(qiáng)度達(dá)到了一個(gè)中等水平，如果構(gòu)件繼續(xù)運(yùn)行，將會(huì)達(dá)到疲勞極限，導(dǎo)致出現(xiàn)斷裂。測(cè)定焊接件的中值疲勞強(qiáng)度，對(duì)材料研制、機(jī)械設(shè)計(jì)、工藝和質(zhì)量控制、產(chǎn)品性能評(píng)估和失效分析等具有重要的意義。

1 實(shí)驗(yàn)材料和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

合金牌號(hào)為6005A熱影響區(qū)鋁型材，人工時(shí)效T6狀態(tài)，型材斷面如圖1所示，縱向取樣，壁厚13.5mm?；瘜W(xué)成分和機(jī)械性能見(jiàn)表1和表2。

圖1 型材斷面

表1 化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

表2 熱影響區(qū)拉伸性能

2.2 試樣形狀與尺寸

采用寬度為25mm的矩形等截面疲勞試樣，使焊縫位于試樣工作部分的中間位置，應(yīng)力集中系數(shù)Kt=1，去除焊縫部位的余高，使試樣厚度與母材壁厚盡量相同，試樣兩側(cè)面經(jīng)銑削加工和拋光，加工表面粗糙度不大于0.4μm。使用千分尺和工具顯微鏡分別測(cè)量式樣的厚度和寬度。

2.3 試驗(yàn)條件

采用德國(guó)Zwick Vibrophore電磁共振式高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)。規(guī)定試驗(yàn)應(yīng)力水平，按升降法的原則，選擇相應(yīng)的最大應(yīng)力σmax，循環(huán)次數(shù)N0=1×107，應(yīng)力比分別選擇0.1和0.5。

2.4 試驗(yàn)方法

如果試驗(yàn)的目的只需要求出疲勞極限，則按(1)式計(jì)算：

(1)

式中，n為有效試驗(yàn)總次數(shù)；m為升降應(yīng)力水平級(jí)數(shù)；σi為第i級(jí)應(yīng)力水平；Vi為第i級(jí)應(yīng)力水平下的試驗(yàn)次數(shù)。

如果試驗(yàn)需要求出中值疲勞強(qiáng)度和標(biāo)準(zhǔn)差，進(jìn)而確定置信度，則應(yīng)將相鄰應(yīng)力水平的各數(shù)據(jù)點(diǎn)按一個(gè)破壞點(diǎn)(×)和一個(gè)未破壞點(diǎn)(○)配成一對(duì)，如果升降圖是封閉的，則所有試驗(yàn)點(diǎn)都能配成對(duì)子，這時(shí)中值疲勞強(qiáng)度的估計(jì)量按(2)式計(jì)算，(1)式和(2)式計(jì)算的結(jié)果相同。

(2)

子樣標(biāo)準(zhǔn)差按(3)式計(jì)算：

(3)

(4)

式中，kp為單側(cè)誤差限系數(shù)，kp值可查表得出，角標(biāo)P為存活率。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 試驗(yàn)原始數(shù)據(jù)

規(guī)定循環(huán)次數(shù)N0=1×107，應(yīng)力比為0.1和應(yīng)力比為0.5的試驗(yàn)數(shù)據(jù)分別列入表3和表4中，并用有效數(shù)據(jù)點(diǎn)繪制升降圖，如圖2和圖3所示。

表3 應(yīng)力比為0.1升降法試驗(yàn)結(jié)果

表4 應(yīng)力比為0.5的升降法試驗(yàn)結(jié)果

3.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

×-破壞；○-未破壞

×-破壞；○-未破壞

表5 應(yīng)力比為0.1 計(jì)算對(duì)子應(yīng)力

表6 應(yīng)力比為0.5計(jì)算對(duì)子應(yīng)力

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

(1)應(yīng)力水平和應(yīng)力臺(tái)階的選擇。以熱影響區(qū)試件規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度平均值的60%作為預(yù)計(jì)的中值疲勞強(qiáng)度，約為77MPa。相鄰兩級(jí)應(yīng)力水平的應(yīng)力增量應(yīng)為預(yù)計(jì)疲勞強(qiáng)度的3%～5%。取預(yù)計(jì)疲勞強(qiáng)度的4%，即約為3MPa。

在理想狀態(tài)下，如試樣的化學(xué)成分、熱處理制度、加工形狀等都相同的試驗(yàn)條件下，假設(shè)所采用的應(yīng)力水平相同，做應(yīng)力比為0.1的試樣要比做0.5應(yīng)力比的試樣先失效。這是因?yàn)?，?yīng)力比為0.1的應(yīng)力幅，比應(yīng)力比為0.5的幅大。說(shuō)明在其他條件都相同的條件下，應(yīng)力幅越大，試樣越容易失效。也就是說(shuō)，在給定的疲勞壽命下，應(yīng)力比為0.1的疲勞強(qiáng)度要小于應(yīng)力比為0.5的疲勞強(qiáng)度。此實(shí)驗(yàn)結(jié)果與前人所研究的一至，應(yīng)力比對(duì)材料疲勞特性的研究平均應(yīng)力在低周和高周范圍內(nèi)對(duì)材料疲勞性能的影響的相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和相應(yīng)的理論分析模型表明：平均應(yīng)力的增加(增大應(yīng)力比)會(huì)降低材料的疲勞壽命[6]。因此我們測(cè)應(yīng)力比為0.5的中值疲勞強(qiáng)度時(shí)，適當(dāng)高估起始的應(yīng)力水平，選擇應(yīng)力水平為120MPa，應(yīng)力臺(tái)階選擇5MPa。

表7 升降法試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理結(jié)果

(3)升降法試驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析方法[4]。在不同應(yīng)力水平下，采用升降法來(lái)測(cè)定疲勞強(qiáng)度下極限，對(duì)試樣經(jīng)過(guò)指定疲勞應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N次后是否失效進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。將應(yīng)力水平從小到大進(jìn)行排序，So≤ S1≤S2≤…≤Si，其中，i是應(yīng)力水平數(shù)。指定事件數(shù)為fi，應(yīng)力臺(tái)階為d。疲勞強(qiáng)度的統(tǒng)計(jì)分析按照式(5)、式(6)計(jì)算。

(5)

(6)

(7)

表8 應(yīng)力比為0.1的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

表9 應(yīng)力比為0.5的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

表10 應(yīng)力比為0.1和0.5的數(shù)據(jù)對(duì)比

本文所選材料，根據(jù)EN 13981-1:2003要求，循環(huán)周次為107，置信度為97.5%時(shí)，應(yīng)力比為0.1時(shí)，最大應(yīng)力為55MPa；應(yīng)力比為0.5時(shí)，最大應(yīng)力為80MPa。從所測(cè)疲勞強(qiáng)度值結(jié)果變化，可以看出置信度高，所要求的最大應(yīng)力也會(huì)變高。

5 結(jié)論

(1)在相同條件下，應(yīng)力比對(duì)中值疲勞強(qiáng)度影響較大。應(yīng)力比為0.1的中值疲勞強(qiáng)度比應(yīng)力比為0.5的小。應(yīng)力比一定時(shí)，隨著最大應(yīng)力的增加，平均應(yīng)力和應(yīng)力幅也會(huì)相應(yīng)的增大，試樣發(fā)生失效的概率也會(huì)相應(yīng)的增大。

(2)應(yīng)力比為0.5的這組實(shí)驗(yàn)，所選擇的應(yīng)力水平和應(yīng)力臺(tái)階比較合理。升降法測(cè)試中應(yīng)力增量的選擇對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的置信度和測(cè)試時(shí)間有一定影響[7]。由于做疲勞試驗(yàn)所用的時(shí)間較長(zhǎng)，在利用升降法時(shí)，選擇合適的應(yīng)力水平和應(yīng)力臺(tái)階，非常重要。