CN108362597B - 一种金属擦蚀疲劳试验方法 - Google Patents

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Abstract

本发明是关于一种金属疲劳擦蚀方法，包括如下步骤：A、先在多种类型的金属试验件的中心开设中心孔；确定销钉与中心孔的装配间隙；往中心孔内插入销钉；B、选取和步骤A相同材质的金属试验件，并在所述的金属试验件的中心开设中心孔，中心孔内不插入销钉；C、将步骤A的金属试验件和步骤B的金属试验件分别进行疲劳试验，获得疲劳试验数据；并根据所述的疲劳试验数据分别建立中心孔擦蚀试验件的S‑N曲线和中心孔无擦蚀试验件的S‑N曲线；D、将中心孔擦蚀试验件和中心孔无擦蚀试验件的循环寿命进行比较，获得擦蚀对金属疲劳性能的影响。采用上述方法，其有益效果是结果准确，可以快速测定擦蚀对金属疲劳性能的影响。

Description

一种金属擦蚀疲劳试验方法
技术领域
本发明属于金属擦蚀疲劳试验技术领域，具体的说，是关于一种金属擦蚀疲劳试验方法。
背景技术
擦蚀又叫微动磨蚀，是指当2个互相接触的固体表面具有微小的相对运动时，接触表面会受到损伤。擦蚀疲劳是承受疲劳载荷的构件由于在接触部位同时存在微小位移幅度的摩擦磨损而加速失效破坏的过程，该类失效广泛存在于航空、航天、交通、核能等诸多工业部门中，常常造成关键部件的提前断裂，导致严重的事故，尤其是在航空工业中更为突出和普遍。因此，研究擦蚀对于金属疲劳性能的影响，至关重要。
擦蚀疲劳损伤过程十分复杂，涉及到摩擦磨损、疲劳多种失效形式，影响因素颇多，需要结合金属擦蚀疲劳发生的实际情况，如飞机机翼、机身和尾翼上的隔框、桁条和蒙皮的连接件结构的擦蚀疲劳过程，一般试验过程都较为复杂，实施比较困难。
目前，用于评估擦蚀对于金属疲劳性能的影响的装置大多为微动疲劳试验装置，结构如图1所示，试验过程中，需要采用其他预紧装置将上、下微动垫固定在疲劳试验件表面，因此需要在疲劳试验机上搭建预紧装置，其结构复杂，试验过程复杂，且当微动垫变形时与试验件间的接触条件难以确定，与零部件的金属擦蚀疲劳发生的实际情况不接近。因此，检测结果不可靠、不准确。
因此，有必要开发一种与实际情况较为接近且结果相对可靠准确的金属擦蚀疲劳试验方法来评估擦蚀对于金属疲劳性能的影响程度。
发明内容
本发明的目的是提供一种简便、直观的金属疲劳擦蚀方法，以解决现有的金属疲劳试验装置的结构复杂、检测方法与实际情况不接近、检测结果不准确的问题。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种金属疲劳擦蚀方法，包括如下步骤：
A、先在金属试验件的中心开设中心孔；接着，确定销钉与中心孔的装配间隙；接着，往中心孔内插入销钉，以使销钉与中心孔试验件表面产生擦蚀；
B、选取和步骤A相同材质的金属试验件，并在所述金属试验件的中心开设中心孔，中心孔内不插入销钉；
C、将步骤A的金属试验件和步骤B的金属试验件分别放在疲劳试验机上进行疲劳试验，分别获得金属试验件中心孔擦蚀试验件的疲劳试验数据和金属试验件中心孔无擦蚀试验件的疲劳试验数据；根据上述的疲劳试验数据分别建立中心孔擦蚀试验件的S-N曲线和中心孔无擦蚀试验件的S-N曲线；
D、测试金属试验件的最大应力，根据中心孔擦蚀试验件的S-N曲线和中心孔无擦蚀试验件的S-N曲线，获得中心孔擦蚀试验件和中心孔无擦蚀试验件的循环寿命，并将中心孔擦蚀试验件和中心孔无擦蚀试验件的循环寿命进行比较，从而获得擦蚀对金属疲劳性能的影响。
根据本发明，所述销钉采用硬度大于合金钢30CrMnSiNi2A的硬度的材料，其目的是设置一种销钉的磨损量低，而试验件的磨损量高，从而与实际相接近，以提高试验结果的可靠性。
优选的，所述销钉的材料为合金钢30CrMnSiNi2A，该规格的销钉的硬度比较高，与飞机机翼等上的连接件的硬度相接近；且该规格的销钉的硬度大于试验件的硬度，其目的是设置一种销钉的磨损量低，而试验件的磨损量高，从而与实际相接近，以提高试验结果的可靠性。
根据本发明，确定销钉与中心孔的装配间隙的方法为：通过测量试验件的应力水平，得出试验件的变形量，接着，以该变形量确定间隙的范围，选择3-5个该范围内的间隙，比较同一应力水平下不同装配间隙的有销钉试验结果和无销钉试验结果，确定装配间隙。
进一步的，选择能使疲劳寿命下降至少30％的间隙作为装配间隙。
根据本发明，步骤A的销钉通过胶带固定的方式固定在金属试验件上，可以避免销钉产生附加弯矩，进而避免对销钉施加额外的轴向载荷，确保实验结果的准确性。
本发明的金属疲劳擦蚀方法，其有益效果是：
1、其销钉结构是模拟飞机机翼、机身和尾翼上的隔框、桁条和蒙皮等的连接结构设计，因此，其结果与实际结果较为接近，从而可以提高试验结果的可靠性；
2、中心孔擦蚀试验件的S-N曲线和中心孔无擦蚀试验件的S-N曲线的建立，可以快速测定擦蚀对金属疲劳性能的影响；
3、其结果准确可靠，对于评估擦蚀对于金属疲劳性能的影响程度具有重大意义。使用时，可以根据飞机机翼等的应力情况，通过SN曲线，来判断飞机机翼等的使用寿命，从而做好提前更换等的准备。
附图说明
图1为现有的微动疲劳试验装置，其中，P代表压力；σa和σb代表疲劳试验过程中试验件的循环力；Q代表摩擦力。
图2为升降法测定试验件的疲劳试验的升降图。
图3为TB6无擦蚀和擦蚀试验件室温高周S-N曲线对比。
图4-图6为中心孔擦蚀试验件(R＝-1)断口SEM照片(编号A11，应力280MPa，寿命76300周)。
图7-图9为中心孔无擦蚀试验件(R＝-1)断口照片(编号A40，应力280MPa，寿命237300周)。
具体实施方式
以下结合具体附图，对本发明的金属疲劳擦蚀方法作进一步详细说明。
一种金属疲劳擦蚀方法，包括如下步骤：
A、先在金属试验件的中心开设中心孔；接着，确定销钉与中心孔的装配间隙；接着，往中心孔内插入销钉，以使销钉与中心孔试验件表面产生擦蚀；接着，用胶带将销钉固定在试验件上(即用胶带将销钉的四周胶接在试验件上)；
B、选取和步骤A相同材质的金属试验件，并在所述金属试验件的中心开设中心孔，中心孔内不插入销钉；
C、将步骤A的金属试验件和步骤B的金属试验件分别放在疲劳试验机上进行疲劳试验，分别获得金属试验件中心孔擦蚀试验件(R＝-1)的疲劳试验数据和金属试验件中心孔无擦蚀试验件(R＝-1)的疲劳试验数据；并分别建立中心孔擦蚀试验件的S-N曲线和中心孔无擦蚀试验件的S-N曲线；
D、测试金属试验件的最大应力，根据中心孔擦蚀试验件的S-N曲线和中心孔无擦蚀试验件的S-N曲线，获得中心孔擦蚀试验件和中心孔无擦蚀试验件的循环寿命，并将中心孔擦蚀试验件和中心孔无擦蚀试验件的循环寿命进行比较，从而获得擦蚀对金属疲劳性能的影响。
以下实施例的销钉的材料采用大于合金钢30CrMnSiNi2A的硬度的材料。销钉的材料优选为合金钢30CrMnSiNi2A，该规格的销钉的硬度比较高，与飞机机翼等上的连接件的硬度相接近；且该规格的销钉的硬度大于试验件的硬度，其目的是设置一种销钉的磨损量低，而试验件的磨损量高，从而与实际相接近，以提高试验结果的可靠性。
实施例1销钉与中心孔的装配间隙的确定
(1)采用有限元的模拟计算表明，在应力比R＝-1，应力水平为280MPa时，TB6钛合金的中心孔的最大相对变形量为0.03mm。
(2)选择3-5个该范围内的间隙，具体如表1所示。
表1 销钉与孔的配合间隙
配合方式 配合尺寸/mm
配合方式1 间隙0.02±0.01
配合方式2 间隙0.05±0.01
配合方式3 间隙0.10±0.01
(3)在同一应力水平(疲劳寿命大致为10万次左右)加载下，比较同一应力水平下不同装配间隙的有销钉试验结果；一般选择能使疲劳寿命下降30％的装配间隙，这是依据实际擦蚀情况中在使疲劳寿命大致为10万次左右的应力水平下对寿命的影响程度得到的(参考文献以及直升机结构件的实际试验结果为：ANTONIOU R A,RADTKE T C.Mechanismsof fretting-fatigue of titanium alloys[J].Materials Science and EngineeringA,1997,237(2):229–240)。
在应力比R＝-1时，利用无销钉的中心孔试验件确定循环寿命为约1′105周次的应力水平为280MPa，然后再进行三种装配间隙的有销钉试验，试验参数均参照无销钉试验进行设置，结果见表2。
表2 疲劳试验结果
Figure BDA0001569416890000041
Figure BDA0001569416890000051
(4)确定销钉与孔的装配间隙
从表2中可以看出，在应力比-1，应力水平为280MPa时，销钉与孔的装配间隙越大，疲劳循环寿命越长。在装配间隙为0.02mm时，循环寿命下降最严重，达到了41.4％。
结论：销钉与孔的装配间隙为0.02mm。
实施例2SN曲线的建立
选择同一种材质的试验件(以下均采用TB6钛合金)，分别进行编号，然后以应力比为-1，最大应力分别为340MPa、300MPa、280MPa、270MPa、260MPa和250MPa进行疲劳试验，以高周疲劳试验数据处理方法(参照的HB/Z 112-1986《材料疲劳试验统计分析方法标准》)对TB6中心孔有擦蚀和无擦蚀的疲劳试验原始数据进行处理，获得图3的TB6无擦蚀和擦蚀试验件室温高周S-N曲线图，以及获得TB6室温高周疲劳试验S-N曲线拟合方程，具体如表3所示。
表3 TB6室温高周疲劳试验S-N曲线拟合方程
Figure BDA0001569416890000052
结论：(1)中心孔擦蚀试验件的S-N曲线拟合方程：
Figure BDA0001569416890000053
其中Smax代表金属试验件的最大应力；N为金属试验件的循环寿命。使用时，通过确定金属试验件的应力，即可获得有擦蚀时金属试验件的循环寿命。
(2)中心孔无擦蚀试验件的S-N曲线拟合方程：
Figure BDA0001569416890000061
其中Smax代表金属试验件的最大应力；N为金属试验件的循环寿命。使用时，通过确定金属试验件的应力，即可获得无擦蚀时金属试验件的循环寿命。
(3)将有擦蚀时金属试验件的循环寿命与无擦蚀时金属试验件的循环寿命进行比较，其差值即为擦蚀对金属疲劳性能的影响。
实施例3验证实施例2的S-N曲线拟合方程的准确性
试验结束后，对擦蚀和无擦蚀疲劳试验的试验件的断口进行观察分析，可验证擦蚀试验数据的可靠性。通过扫描电镜SEM观察比较断口形貌。
选取两件试验件，在相同应力280MPa下进行SEM断口分析。由图4-图6和图7-图9的SEM断口比较得出，有擦蚀试验件的裂纹源萌生处有明显的擦蚀痕迹，寿命为76300周(编号A11，应力280MPa)；无擦蚀试验件的裂纹源萌生于孔边，循环寿命为237300周(编号A40，应力280MPa)。这说明擦蚀会加快裂纹萌生的速度，使材料的疲劳性能明显下降，其结果与实际情况相符，说明采用实施例2的试验方法得到的SN曲线具有实际应用意义。
结论：该结果准确可靠。使用时，可以根据飞机机翼的应力情况，通过SN曲线，判断飞机机翼等的寿命。

Claims (4)

1.一种金属疲劳擦蚀方法，其特征在于，包括如下步骤：
A、先在金属试验件的中心开设中心孔；接着，确定销钉与中心孔的装配间隙；接着，往中心孔内插入销钉；
B、选取和步骤A相同材质的金属试验件，并在所述的金属试验件的中心开设中心孔，中心孔内不插入销钉；
C、将步骤A的金属试验件和步骤B的金属试验件分别放在疲劳试验机上进行疲劳试验，分别获得金属试验件中心孔擦蚀试验件的疲劳试验数据和金属试验件中心孔无擦蚀试验件的疲劳试验数据；根据所述的金属试验件中心孔擦蚀试验件的疲劳试验数据建立中心孔擦蚀试验件的S-N曲线，以及根据所述的金属试验件中心孔无擦蚀试验件的疲劳试验数据建立中心孔无擦蚀试验件的S-N曲线；
D、测试金属试验件的最大应力，根据中心孔擦蚀试验件的S-N曲线和中心孔无擦蚀试验件的S-N曲线，获得中心孔擦蚀试验件和中心孔无擦蚀试验件的循环寿命，并将中心孔擦蚀试验件和中心孔无擦蚀试验件的循环寿命进行比较，从而获得擦蚀对金属疲劳性能的影响，
其中，步骤A的销钉通过胶带固定的方式固定在金属试验件上；
确定销钉与中心孔的装配间隙的方法为：通过测量试验件的应力水平，得出试验件的变形量，接着，以该变形量确定间隙的范围，选择3-5个该范围内的间隙，比较同一应力水平下不同装配间隙的有销钉试验结果和无销钉试验结果，从而确定装配间隙。
2.如权利要求1所述的金属疲劳擦蚀方法，其特征在于，所述销钉采用硬度大于合金钢30CrMnSiNi2A的硬度的材料。
3.如权利要求2所述的金属疲劳擦蚀方法，其特征在于，所述销钉的材料为合金钢30CrMnSiNi2A。
4.如权利要求1所述的金属疲劳擦蚀方法，其特征在于，选择能使疲劳寿命下降至少30％的间隙作为装配间隙。
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