CN106872581B - 一种基于镁合金电子束焊接试样疲劳裂纹扩展的分析方法 - Google Patents

Abstract

一种基于镁合金电子束焊接试样疲劳裂纹扩展的分析方法，属于镁合金材料力学性能的技术领域，其特征在于是一种针对含预制裂纹镁合金在疲劳载荷作用下试件扩展的过程，由于弹塑性变形作用使得试件内能升高，最终伴随着裂纹扩展释放能量，得到试件内部声发射信号与循环次数关系曲线；通过分析曲线形状特征，确定疲劳试件的扩展情况，进而求得镁合金进入失稳扩展阶段的临界值，该方法无需实验人员对试件一直观察，具有方便、快捷、准确等优点。

Description

一种基于镁合金电子束焊接试样疲劳裂纹扩展的分析方法

技术领域

本发明一种基于镁合金电子束焊接试样疲劳裂纹扩展的分析方法，属于镁合金材料力学性能的技术领域。具体涉及一种镁合金疲劳试件裂纹扩展的临界应力强度因子幅ΔK_TC的分析方法的技术方案。

背景技术

疲劳与断裂是引起工程结构失效的最主要原因，工程结构中因疲劳断裂事故引起的失效占失效总数的80％以上，一旦出现疲劳裂纹，如果不能合理的预测其扩展情况，就给人们的生命财产带来灾难性的损失。多年来，人们在疲劳现象的观察、疲劳机理的研究、疲劳寿命的预测和抗疲劳设计技术的发展等方面积累了丰富的经验。目前的疲劳研究主要依靠试验手段对金属材料的疲劳性能进行分析和检测，然而这些疲劳裂纹扩展试验方法存在着试验周期长、试件消耗大、数据离散等不足，这些都为获取材料的疲劳裂纹扩展扩展规律带来了一定的困难。

镁合金作为新型的结构材料，在服役过程中往往承受疲劳载荷，目前其疲劳性能主要是通过试验手段获得。传统的疲劳裂纹扩展试验方法通常将da/dN-ΔK曲线的拐点作为裂纹失稳扩展的评判标准，即需要对多个待测试件(预制裂纹2mm)进行循环加载，通过实验过程中记录下的裂纹扩展长度和对应的载荷循环次数，得到da/dN-ΔK曲线，曲线呈两个明显的阶段，斜率发生突变的拐点处的ΔK值就被定为裂纹开始失稳扩展的标志。这种疲劳裂纹扩展试验方法，在单根试件上就需要较长的试验周期，并且为了获得可靠的试验数据，需要进行多组试验，因此，目前的试验方法不仅耗费大量试验材料，而且由于裂纹长度是用眼睛直接观察的，存在一定的观察误差。

发明内容

本发明一种基于镁合金电子束焊接试样疲劳裂纹扩展的分析方法，其目的在于是针对背景技术的状况，借助于DS5系列全信息声发射信号分析仪，提供一种通过采集镁合金材料内部变形时释放能量的声音信号来预测并判断试样疲劳裂纹扩展速率阶段的方法，对于镁合金试件有着一致的规律，可以更加精确地预测含有裂纹试样的使用寿命。

本发明一种基于镁合金电子束焊接试样疲劳裂纹扩展的分析方法，其特征在于是一种借助于DS5系列全信息声发射信号分析仪，通过采集镁合金材料内部变形时释放的能量声音信号来预测并判断试样疲劳裂纹扩展速率阶段的方法，该方法的具体步骤如下：

使用的化学物质材料为：镁合金板、乙醇、自动铅笔、刻度尺和砂纸，其准备用量如下：以毫米、毫升为计量单位

1)试件加工及准备

①对AZ31B镁合金板材进行电子束焊接，具体焊接参数为：额定加速电压U＝120kV,额定聚焦电流I_f＝2218/2185mA,束流I_B＝33mA,焊接速度V＝35mm/s.

②采用线切割方法将镁合金板加工为国标规定的裂纹扩展实验试件，使得在循环载荷加载过程中裂纹随着内部损伤程度表现出不同的扩展速率；

③用砂纸打磨疲劳试件，使试件表面及线切割加工面光滑，要求试件正反面及线切割加工面的粗糙度达R_a＝0.32-0.63μm；

④用乙醇擦洗疲劳试件，使试件表面洁净；

⑤在试件表面以预制裂纹为起点，并垂直于裂纹扩展方向画30条间隔为1mm的平行线，用以观察裂纹扩展长度；

⑥将波导杆用胶水对称地粘在裂纹扩展轨迹线的两端，到焊缝中心的距离为20mm。

2)加载试件及搜集信号准备

调整好疲劳裂纹扩展试验参数，循环特征系数为0.1，谐振频率为20Hz，开始将疲劳试件加载在电液伺服疲劳裂纹扩展试验机上，同时将采集信号的探头固定在波导杆上，并用耦合剂将其间的缝隙完全填充以减小摩擦。对周围环境信号进行预采集，幅值小于25mV就可以正常进行实验，保证声音采集过程中的可靠性。

3)疲劳裂纹扩展试验

对待测试件在不同应力水平下进行循环加载，同时使用声发射信号分析仪对试件内部释放的声音信号进行采集，并储存镁合金试件内部变形过程的的声发射数据波形图；

4)数据处理及分析

①分析声发射信号分析仪测得的试验结果，提取试件在疲劳载荷作用下的撞击数-时间关系数据、波形图像；

②计算疲劳试件对应于30个裂纹长度值得应力幅度应子幅ΔK，将同一应力下的疲劳裂纹扩展数据(da/dN和ΔK)绘制在双对数坐标(lg(da/dN)-lgΔK)中，将收集到的声发射数据的撞击数(dC/dN和ΔK)绘制在双对数坐标(lg(dC/dN)-lgΔK)中，其中，采用割线法计算裂纹扩展速率da/dN、dC/dN，并根据裂纹长度及载荷等参数计算应力强度因子ΔK，da/dN、dC/dN、ΔK的计算公式分别为

其中，a为裂纹扩展长度，C为声发射信号的撞击数，N为疲劳试验机的加载循环次数，ΔP为循环最大载荷与最小载荷之差即力值范围，B为试样厚度，W试样宽度，α＝a/W；

③根据在不同应力水平下获得的da/dN-ΔK曲线，确定试件裂纹扩展速率与应力强度因子幅的关系，大致可以分为三个阶段，裂纹缓慢扩展阶段、稳定扩展阶段、快速撕裂阶段；

步骤②中获得的试件内部声音信号撞击数与应力强度因子幅的关系曲线dC/dN-ΔK在不同应力水平下呈现一致的规律：a.随着ΔK值的增加，曲线分为斜率不同的两个阶段：第一阶段斜率较小，表明在此阶段，随着裂纹长度的增加，声发射信号撞击数的的增加较为缓慢，即试样内部的损伤变形在一定的程度之内；第二阶段斜率发生了突变，声发射信号撞击数的增长率明显增加，所占时间较少，即试样产生了严重的损伤，材料内部释放出了大量的能量，直至试件快速撕裂。

④dC/dN-ΔK得出的临界值ΔK_TC略小于da/dN-ΔK，通过对断口进行扫描观察，可以证实ΔK_TC的准确性，由此得出更加精确的裂纹失稳扩展临界ΔK_TC值。

上述的一种基于镁合金电子束焊接试样疲劳裂纹扩展的分析方法，其特征在于，所述的镁合金疲劳裂纹扩展试验是在声发射分析仪试验系统上进行，其声发射分析仪试验系统由疲劳裂纹扩展试验机(1)、DS5系列全信息声发射信号分析仪(4)和控制系统(6)组成，声发射信号分析仪系统为立式，在疲劳裂纹扩展试验机(1)的卡具(2)上装卡表面将裂纹扩展路径划分了30小段的镁合金疲劳裂纹扩展实验试件(3)，在疲劳试件上以扩展路径为基线对称地粘上压电探头(5)，调节控制系统(6)开始疲劳加载，由控制系统(6)得到疲劳裂纹扩展试验数据，压电探头(5)采集镁合金试件在疲劳裂纹扩展过程中的声音信号，通过放大器放大后传导到数据处理系统(7)，对得到的疲劳过程中的声波进行处理。

本发明一种基于镁合金电子束焊接试样疲劳裂纹扩展的分析方法，其优点在于：基于镁合金在疲劳载荷下裂纹扩展释放能量的固有特征，对疲劳载荷下的试件一部分能量以声音形式释放的特征进行提取，使之以声波图像的形式直观的展现出来；在分析这些声波信号特征的基础上确定疲劳试件内部应力与被测材料内部变形程度之间关系，进而预测镁合金的失稳扩展门槛值ΔK_TC；利用声发射分析仪监测裂纹扩展试验，可以在不需要人力观察裂纹扩展长度的情况下，根据声波图形以及回放参数做出的dC/dN-ΔK曲线预测出失稳扩展阶段的临界应力强度应子幅ΔK_TC，很大程度上节省了试验劳力和工作量；同时通过该方法得到不同疲劳载荷下的声波特征具有鲜明一致的规律，对于试样尺寸一定的情况下可以确定镁合金的疲劳裂纹扩展性能，在一定程度上简化了试验过程；与现有技术相比，该方法具有试验过程简单，试验结果精确，可适应于恶劣环境中，可以被广泛的应用于工程实践。

附图说明

图1镁合金疲劳裂纹扩展试样尺寸图

图2镁合金裂纹扩展声发射分析仪系统图

图3镁合金疲劳裂纹扩展试件声发射波形图

图4镁合金疲劳裂纹扩展试件常规试验结果图

图5镁合金疲劳裂纹扩展声发射结果图

图中所示，附图标记清单如下：

1.疲劳裂纹扩展试验机；2.卡具；3.镁合金疲劳裂纹扩展试样；4.声发射分析仪；5.数据处理系统；6.控制系统；

具体实施方式

以下结合具体实施方式，对本发明进行详细说明。

本发明所采用的材料为商用10mm厚挤压成型的AZ31B镁合金，试件尺寸如图1所示，采用线切割方法沿垂直于挤压方向加工而成；加工完成后，依次采用800目、1000目和1500目的金相砂纸对试件表面进行打磨，使表面及线切割加工面光滑，粗糙度达R_a＝0.32-0.63μm；试件表面以预制的裂纹为起点，并垂直于裂纹扩展方向画30条间隔为1mm的平行线，用以观察裂纹扩展长度；疲劳实验设备为低频拉压疲劳裂纹扩展试验机。疲劳载荷为拉-拉载荷，循环特征系数为0.1，振动频率为20Hz；实验过程中用声发射分析仪对试件裂纹扩展过程中释放的声音信号进行采集，声发射分析仪采集声音信号的时间精度为μs，镁合金疲劳声发射监测试验系统如图2所示。

镁合金在受到疲劳载荷时，外部施加的机械功会转化为其内部的能量，从而导致试件内能升高；当内能高于试样所能承受而开始变形的时候，其内部的能量会向周围释放，其中一种能量形式就是声波，变形越严重，释放的声波也越大，所以，镁合金的波形图在疲劳载荷下会随着扩展阶段逐步上升；当进入失稳扩展扩展阶段时，镁合金的声波幅度就会发生迅速上升，可以达到稳定扩展阶段的十几倍甚至几十倍。

选取裂纹稳定扩展时刻的波形图对疲劳试件扩展过程中的声波信号进行分析，此时的声波幅度可以较准确的表示试件内的声源强度；

由上述模型计算疲劳试件在特定载荷下每一裂纹长度对应的扩展速度，同时利用相应的声波图计算每个循环次数下的声波振幅，从而获得疲劳试件在特定载荷下每个循环次数下的声波振幅和试样内部损伤程度的对应关系。

图3表示在不同载荷下镁合金疲劳试件上声波振幅和时间的对应关系。由于疲劳试件形状具有对称性，所以试件始终受到两边对称的拉力。其中在载荷逐渐增大的情况下，疲劳试件扩展速度也逐渐加快，声波的幅度也发生相应的变化。

当施加的循环载荷大于金属材料的承受极限时，材料内部发生塑性变形并释放声波，并且裂纹越长释放的声发射信号越强烈；当裂纹扩展长度超过失稳阶段的临界值时，材料迅速断裂并伴随释放大量的声发射信号。

镁合金试样在循环加载时，随着裂纹长度的增加，内部的变形机理也在发生相应的变化。室温下，镁合金只有基面滑移系{0001}可以开动，远远不能满足其塑性变形的要求，故当塑性变形增大时，开始发生孪生，这样，声发射信号主要集中在两个频率范围的现象证明了声发射信号对试样内部变形机理敏感。当裂纹扩展到不同的阶段时，内部的机理也会发生变化，相应的释放出来的声发射信号也会不同，在图4中表现为dC/dN-ΔK曲线出现一个近似水平的锯齿形区域，这期间的声音信号发生不稳定的波动，知道进入裂纹扩展失稳阶段撞击数迅速上升，形成一个明显的转折点ΔK_TC。在图5中表现为da/dN-ΔK曲线可以清晰地分为三个阶段，每一阶段都可以拟合为一条直线，具体参数见表一。

表一实验图形参数表

本次试验中测得的镁合金疲劳裂纹扩展临界ΔK_TC分别为5.5MPa·m^1/2，与现有标准试验方法(GB/T 6398-2000金属材料疲劳裂纹扩展速率试验方法)求得的镁合金疲劳裂纹扩展临界ΔK_T(5.7)相比,误差率为3.5％，具有较高的准确性。

由上述分析可见，通过本发明中提出的方法得到的声波撞击数与载荷循环次数关系曲线，在特定的循环次数下出现相应的撞击数。通过分析曲线形状特征，便可以准确的判断疲劳试件的受损情况，进而求得镁合金的裂纹扩展临界值，并判断裂纹扩展阶段。采用本发明提出的镁合金疲劳裂纹扩展性能快速分析方法比常规疲劳试验更加精确，因此很大程度上节省了试验时间和试验材料，具有明显的先进性。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (2)

1.一种基于镁合金电子束焊接试样疲劳裂纹扩展的分析方法，其特征在于，是一种借助于DS5系列全信息声发射信号分析仪，通过采集镁合金材料内部变形时释放的能量声音信号来预测并判断试样疲劳裂纹扩展速率阶段的方法，该方法是在声发射分析试验系统上进行，其声发射分析试验系统由疲劳裂纹扩展试验机(1)、声发射分析仪(4)和控制系统(6)组成，声发射分析仪系统为立式，在疲劳裂纹扩展试验机(1)的卡具(2)上装卡表面以预制的裂纹为起点，并垂直于裂纹扩展方向画30条间隔为1mm的平行线，用以观察裂纹扩展长度；在疲劳试件表面粘有声发射分析仪探头(5)，调节控制系统(6)开始疲劳加载，由控制系统(6)得到疲劳裂纹扩展试验数据，声发射分析仪(4)得到镁合金疲劳试件裂纹扩展过程中声音信号和载荷循环次数图像，数据处理系统(7)对得到的疲劳过程中的声波回放得到参数进行处理，具体步骤如下：

使用的化学物质材料为：镁合金板、乙醇、胶水，自动铅笔、砂纸，其准备用量如下：以毫米、毫升为计量单位

镁合金板：AZ31B 300 mm×300 mm×10 mm 4块

胶水：Instant Adhesive Scotch-Weld 28.3 g 1张

乙醇：C2H5OH 500 mL±10 mL

砂纸：SiC 800目276 mm×0.5 mm×230 mm 2张

砂纸：SiC 1000目276 mm×0.5 mm×230 mm 2张

砂纸：SiC 1500目276 mm×0.5 mm×230 mm 2张

1)试件加工及准备

①采用线切割方法将镁合金板加工为国标规定的疲劳裂纹扩展试件，使得在疲劳加载过程中试件受到对称分布的应力作用；

②用砂纸打磨疲劳试件，使试件表面及线切割加工面光滑, 要求试件正反面及线切割加工面的粗糙度达Ra=0.32-0.63μm；

③用乙醇擦洗疲劳试件，使试件表面洁净；

④在疲劳试件表面以预制的裂纹为起点，并垂直于裂纹扩展方向画30条间隔为1mm的平行线，用以观察裂纹扩展长度；

2)加载试件及采集声信号

调整好疲劳裂纹扩展试验参数，循环特征系数为0.1，谐振频率为20 Hz，开始将疲劳试件加载在疲劳裂纹扩展试验机上，同时将声发射分析仪的探头置于试件表面，调节声发射分析仪采集设置参数，保证疲劳裂纹扩展试验过程中采集的声音准确可靠；

3)疲劳裂纹扩展试验

对待测试件在不同应力水平下进行循环加载，同时使用声发射分析仪对试件裂纹扩展过程中声音信号进行监测，采集试件裂纹扩展过程中声音信号特征数据及图像；

4)数据处理及分析

①分析声发射分析仪测得的试验结果，提取试件在疲劳载荷作用下的撞击数-循环次数关系数据、波形图像；

②绘制疲劳试件da/dN-ΔK曲线，根据曲线中拐点可以将裂纹扩展阶段分为不同阶段；沿载荷循环次数在步骤①获得的声波图上提取撞击数数据，得到dc/dN-ΔK曲线；

③根据裂纹扩展过程中声音信号与循环次数关系曲线的形状，确定试件进入失稳扩展阶段的时间：

步骤②中获得的试件裂纹扩展过程中声音信号与循环次数关系曲线在不同应力水平下呈现相一致的规律：a.直线分为两个阶段，撞击数随循环次数的增加呈稳定线性增加，此时试件内部发生变形，外部表现为裂纹长度的稳定增加；b. 曲线出现明显的锯齿状波动平台，此时试件内部损伤机理发生部分变化，直至达到裂纹失稳扩展门槛值后，裂纹快速撕裂，同时伴随着高能量的释放，即撞击数迅速增大直至试件失效；

④当试件裂纹快速撕裂时，步骤②中获得的裂纹扩展过程中声音信号与载荷循环次数关系曲线会出现明显的变化；分别对出现转折的曲线的两段取双对数，得到的曲线中波动后的转折点即为该镁合金失稳扩展的临界值；

镁合金在受到疲劳载荷时，外部施加的机械功会转化为其内部的能量，从而导致试件内能升高；当内能高于试样所能承受而开始变形的时候，其内部的能量会向周围释放，其中一种能量形式就是声波，变形越严重，释放的声波也越大，所以，镁合金的波形图在疲劳载荷下会随着扩展阶段逐步上升；当进入失稳扩展扩展阶段时，镁合金的声波幅度就会发生迅速上升，可以达到稳定扩展阶段的十几倍甚至几十倍；

由于疲劳试件形状具有对称性，所以试件始终受到两边对称的拉力；其中在载荷逐渐增大的情况下，疲劳试件扩展速度也逐渐加快，声波的幅度也发生相应的变化；当施加的循环载荷大于金属材料的承受极限时，材料内部发生塑性变形并释放声波，并且裂纹越长释放的声发射信号越强烈；当裂纹扩展长度超过失稳阶段的临界值时，材料迅速断裂并伴随释放大量的声发射信号；

通过本发明中提出的方法得到的声波撞击数与载荷循环次数关系曲线，在特定的循环次数下出现相应的撞击数；通过分析曲线形状特征，便可以准确的判断疲劳试件的受损情况，进而求得镁合金的裂纹扩展临界值，并判断裂纹扩展阶段；采用本发明提出的镁合金疲劳裂纹扩展性能快速分析方法比常规疲劳试验更加精确，因此很大程度上节省了试验时间和试验材料，具有明显的先进性。

2.如权利要求1所述的一种基于镁合金电子束焊接试样疲劳裂纹扩展的分析方法，其特征在于，所述的镁合金疲劳试件采用国家标准规定的疲劳裂纹扩展试验方法。