冶金材料疲勞損傷測(cè)試方法研究

王 琛

（山東省冶金產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)站有限公司，山東 濟(jì)南 250000）

冶金材料是一種特殊的材料被廣泛地應(yīng)用在工業(yè)制造中，其具有很多優(yōu)點(diǎn)，例如節(jié)能，環(huán)保等，近幾年在工業(yè)制造中占有顯著地位，漸漸成為了某些特定零件的指定制造材料，因此研究人員對(duì)其進(jìn)行了專項(xiàng)研究。近年來隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，高性能冶金零件的應(yīng)用不斷增加，為冶金材料的應(yīng)用提供了更大的市場(chǎng)[1]。在現(xiàn)代工業(yè)中，尤其是汽車、動(dòng)力機(jī)械的主要零件，其都會(huì)面臨荷載超標(biāo)導(dǎo)致的零件疲勞性改變，會(huì)改變零件的形狀，特性，造成使用故障，根據(jù)調(diào)查顯示，目前由于零件疲勞損傷引發(fā)的故障約占80%，材料疲勞會(huì)導(dǎo)致焊接問題，連桿問題甚至更嚴(yán)重破壞性問題。

在這種狀況下產(chǎn)生了許多種類的冶金零件，冶金材料的測(cè)試技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)力大于機(jī)械零件的鑄造、機(jī)械加工等傳統(tǒng)技術(shù)。該技術(shù)已廣泛應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)的主要零件配備，其可以減少動(dòng)態(tài)負(fù)載中的負(fù)載總量[2]，使此時(shí)的負(fù)載在額定范圍內(nèi)，從而避免了冶金材料的疲勞性損傷，因此，其具有很高的抗疲勞性。本文密切跟蹤金屬材料的研究熱點(diǎn)，結(jié)合目前國內(nèi)外冶金材料疲勞損傷的研究進(jìn)展，分析了金屬材料疲勞損傷發(fā)生發(fā)展的原因，并設(shè)計(jì)了新的疲勞損傷測(cè)試方法，為后續(xù)研究提供參考。

1 冶金材料疲勞損傷測(cè)試方法設(shè)計(jì)

1.1 選取疲勞損傷測(cè)試參數(shù)

疲勞損傷力學(xué)模型用于冶金材料的疲勞測(cè)試中的主要問題就是屈服參數(shù)太多，很難確定正確數(shù)值。但是，雖然該模型的應(yīng)用曾經(jīng)受到限制[3]，但其應(yīng)用前景廣闊，近年來國外學(xué)者開始研究模型參數(shù)的修正。在研究的基礎(chǔ)上，本文設(shè)計(jì)的方法采用了閉模壓制成形實(shí)驗(yàn)和Green Compact強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)確定模型中的未知參數(shù)，詳細(xì)描述了各參數(shù)的推導(dǎo)過程，并解釋了冶金材料中相對(duì)密度的關(guān)系，從而獲取冶金材料疲勞損傷的各個(gè)參數(shù)。

關(guān)于Drucker-Prager 剪切斷面的確定，試驗(yàn)中剪切曲線的非線性截面是由剪切疲勞損傷現(xiàn)象引起的，即損傷路徑與Drucker-Prager 斷面在軸向應(yīng)力之前相交?；谶@個(gè)假設(shè)，定義了Drucker-Prager的損傷面[4]。通過測(cè)量CD 點(diǎn)可以繪制一條直線作為剪切損傷曲線。這種方法雖然看起來很簡(jiǎn)單，但是在損傷模擬測(cè)試中可以找到通過這種驗(yàn)證方法確定的參數(shù)，由于損傷路徑滿足斷裂曲線，因此該過程中的損傷現(xiàn)象與實(shí)際情況不符。測(cè)試參數(shù)通常是0.01到0.05之間的常數(shù)，本方法的參數(shù)設(shè)定為0.02。該參數(shù)可以通過分析冶金材料表面加載點(diǎn)處的應(yīng)力狀態(tài)來確定。加載路徑由P-R 空間中的曲線OA 表示，點(diǎn)A 位于測(cè)試的疲勞損傷平面上。

1.2 建立冶金材料疲勞損傷的有限元模型

建立冶金材料疲勞有限元模型首先要考慮的因素是建模指數(shù)。冶金材料為各向異性材料，單層板經(jīng)硬化復(fù)合，層壓板由不同方向排列的單層板層壓而成。如何可靠有效地建模和準(zhǔn)確定義材料參數(shù)是冶金材料疲勞損傷測(cè)試面臨的主要挑戰(zhàn)。

本文設(shè)計(jì)的方法使用密度修正的Drucker-Prager Cap 有限元模型來模擬冶金Distaloy AE 中的單向成型過程。模型為有限元軟件Abaqus提供二次開發(fā)平臺(tái)，用戶子程序USDFLD基于Fortran進(jìn)行語言編寫[5]。由于冶金材料參數(shù)可以用相對(duì)密度的函數(shù)來表達(dá)，因此在本方法中將冶金材料的相對(duì)密度定義為一個(gè)場(chǎng)變量，用在每個(gè)增量步驟中不斷更新當(dāng)前材料屬性，從而計(jì)算當(dāng)前各單元的相對(duì)密度，然后根據(jù)輸入的材料參數(shù)更新有限元模型，更新后的參數(shù)用于下一時(shí)間應(yīng)力的計(jì)算，建立的模型如圖1所示。

圖1 有限元模型

如圖1所示，實(shí)驗(yàn)中采用的模具結(jié)構(gòu)的壓坯直徑d =20 mm，初始相對(duì)密度為0.4，冶金材料填充高度為11 mm，最終壓坯高度為5 mm，由于壓制過程中的慣性力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于壓制力，因此其對(duì)壓制過程的影響很小，模擬過程中忽略動(dòng)力學(xué)因素的影響，可作為準(zhǔn)靜態(tài)問題進(jìn)行分析。由于材料呈對(duì)稱性，因此只需要取四分之一進(jìn)行分析，通過等步長位移加載方式進(jìn)行加載。采用庫侖摩擦模型對(duì)壓制過程中的摩擦現(xiàn)象進(jìn)行模擬。

1.3 計(jì)算冶金材料彈塑性

冶金材料的壓制成型過程非常復(fù)雜，涉及運(yùn)動(dòng)、變形和摩擦等機(jī)械作用[6]。然而，由于冶金材料在壓制過程中位移變化大，模具與壓坯接觸分離，因此增加了解決的難度。為解決冶金材料的塑性加工問題，曾采用成形分析方法，但問題往往被簡(jiǎn)化，假設(shè)金屬材料是均勻的、理想的剛性塑性體，即彈性變形的影響可以忽略不計(jì)，可變形體是平面變形。然而，經(jīng)過簡(jiǎn)化，冶金材料彈塑性的計(jì)算方法是錯(cuò)誤的。因此，要解決這些復(fù)雜的非線性問題，必須采用數(shù)值計(jì)算方法，而非線性求解最有力的工具是有限元法，這也是近年來模擬金屬塑性過程的最佳方法。

有限元法的基本思想是通過數(shù)學(xué)解釋將連續(xù)問題離散為有限元。有限元是應(yīng)用于離散系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)方法。將連續(xù)體劃分為有限數(shù)量的塊，這些塊的屬性在標(biāo)準(zhǔn)離散系統(tǒng)中進(jìn)行了描述。經(jīng)過多年的發(fā)展，有限元方法的應(yīng)用已經(jīng)從一般的線性問題擴(kuò)展到非線性和流體動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域，基于此，計(jì)算冶金材料的彈塑性公式如下（1）所示。

公式（1）中，d代表冶金材料彈塑性，x代表彈性參數(shù)，f代表檢測(cè)到的彈性數(shù)值，t代表變化時(shí)間。

1.4 實(shí)現(xiàn)冶金材料疲勞損傷測(cè)試

為了實(shí)現(xiàn)冶金材料的疲勞損傷測(cè)試，需要對(duì)成形工藝進(jìn)行驗(yàn)證。一方面說明該模型的材料參數(shù)及其確定方法準(zhǔn)確，另一方面說明Drucker-Prager Cap具有較高的精度。Drucker-Prager Cap計(jì)算的結(jié)果基本上選用了冶金材料的高密度區(qū)域。模擬的壓坯平均密度僅在冶金材料的低密度區(qū)域隨著擠壓力的增加而略有增加，基于廣義的屈服模型在模擬計(jì)算中具有更高的精度。

2 實(shí)驗(yàn)

為了檢測(cè)本文設(shè)計(jì)的冶金材料疲勞損傷測(cè)試方法的性能，利用鋼平臺(tái)疲勞試樣檢測(cè)常規(guī)的疲勞測(cè)試方法和本文設(shè)計(jì)的疲勞測(cè)試方法的疲勞壽命，實(shí)驗(yàn)如下。

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

選擇厚度均為10 mm的3塊冶金材料，編號(hào)為1、2、3其中1和2試件做對(duì)比試驗(yàn)，3試件為標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)證，其疲勞試樣結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 疲勞試樣結(jié)構(gòu)示意圖

如圖2所示，設(shè)置正弦波頻率為15 Hz，單次疲勞時(shí)循環(huán)次數(shù)10萬次，對(duì)有限幅值的激勵(lì)信號(hào)進(jìn)行濾波，并輸出到激勵(lì)探頭。信號(hào)通過待測(cè)樣品被接收探頭接收后，使用BNC三路連接器發(fā)射到接收通道分別接收。兩個(gè)通道通過一個(gè)10 MHz 高通濾波器和一個(gè)有源信號(hào)放大器接收信號(hào)，搭建的檢測(cè)系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 檢測(cè)結(jié)構(gòu)示意圖

如圖3所示，檢測(cè)系統(tǒng)具有兩個(gè)獨(dú)立的輸入通道，其探頭通過醫(yī)用超聲荊合劑荊合在冶金試件薄板上。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

試樣1代表本文設(shè)計(jì)的疲勞損傷測(cè)試方法繪制的疲勞壽命曲線，試樣2代表常規(guī)的疲勞損傷測(cè)試方法繪制的疲勞壽命曲線，試樣3代表標(biāo)準(zhǔn)疲勞壽命曲線，繪制結(jié)果如圖4所示。

圖4 疲勞壽命曲線

由圖4可知，本文設(shè)計(jì)的疲勞檢測(cè)方法檢測(cè)的疲勞壽命數(shù)值最貼近實(shí)際數(shù)值，因此檢測(cè)性能良好，檢測(cè)準(zhǔn)確性高。

3 結(jié)語

綜上所述，對(duì)冶金材料進(jìn)行疲勞損傷測(cè)試可以準(zhǔn)確地測(cè)出此時(shí)冶金材料的疲勞狀態(tài)，對(duì)其性能分析有重要的影響，因此本文在常規(guī)疲勞檢測(cè)方法的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)計(jì)了新的冶金材料疲勞檢測(cè)方法，實(shí)驗(yàn)證明，該方法檢測(cè)到的疲勞壽命曲線貼近實(shí)際值，因此具有準(zhǔn)確性，有一定的應(yīng)用價(jià)值。