CN113203608A - 焊接态多层金属复合材料界面拉-剪疲劳试样及试验方法 - Google Patents

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Abstract

焊接态多层金属复合材料界面拉‑剪疲劳试样，包括左右平行设置的至少两个金属层，金属层沿长方体形结构的厚度方向左右依次设置，在试样的中部设有两个矩形凹槽，两个矩形凹槽分别开设在长方体形试样长度方向的左右两侧，且上下交错设置，矩形凹槽平行于试样的宽度方向设置，两个矩形凹槽的宽度一致，上下交错设置的两个矩形凹槽之间的竖直间距为待检测界面左右两侧的两个金属层中厚度较薄的金属层厚度的1.5倍。本发明用于检测焊接态多层金属复合材料界面的拉‑剪疲劳强度极限，测出指定循环次数下的界面拉剪疲劳极限，以精确拟合拉‑剪疲劳S‑N曲线，为多层金属复合材料的应用设计提供技术支撑，以满足苛刻工况条件下使用需求。

Description

焊接态多层金属复合材料界面拉-剪疲劳试样及试验方法
技术领域
本发明涉及金属复合材料的性能测试技术领域，具体的说是一种焊接态多层金属复合材料界面拉-剪疲劳试样及其试验方法。
背景技术
近年来，异种金属复合材料在先进制造业中扮演着越来越重要的角色。金属材料提供的功能可以分为结构性、热膨胀性、热机械应力控制、磁性、耐腐蚀、连接等等，而由异种金属材料组合的多层（两层或两层以上）金属复合材料不断发展的需求是因为相对于多层金属材料接头而言，一种金属材料只能提供一种化学、物理和力学特性，而多种金属复合材料不仅可以降低成本，还可以得到具有优异综合性能的构件，而且使用轻质金属材料直接复合在强度大的金属材料上可以节省相当大的重量。鉴于以上原因，金属复合材料已广泛应用于电力、化工和船舶等领域。例如，高速船舶的发展需要大量的钛-钢、铝-钛-钢等金属复合过渡接头来连接上层建筑和船体；电厂烟囱环保需求内筒采用钛-钢复合材料来进行烟气脱硫等。
异种金属的焊接较单体金属而言工艺要求较为复杂、严苛，焊接前不仅需要综合考虑多层金属各自的焊接特点，还需要充分预测焊接对多层金属间界面的热影响，以及多层金属复合材料界面在使用工况条件下的疲劳极限，剪切强度也是测量金属复合材料界面结合强度的重要检测指标。对于焊接态的多层金属复合材料进行拉-剪疲劳试验的方法，目前找不到任何相关的文献资料，也没有检索到相关专利。因此，如何对焊接态的多层金属复合材料进行拉-剪疲劳试验对于判断焊接态多层金属复合材料的性能和使用寿命来说实为必要。
发明内容
本发明的技术目的为：提供一种焊接态多层金属复合材料界面拉-剪疲劳试样及其试验方法，用于检测焊接态多层金属复合材料界面的拉-剪疲劳强度极限，测出指定循环次数下的界面拉剪疲劳极限，以精确拟合拉-剪疲劳S-N曲线，为多层金属复合材料的应用设计提供技术支撑，以满足苛刻工况条件下使用需求。
本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案为：焊接态多层金属复合材料界面拉-剪疲劳试样，该试样用于夹持固定在疲劳试验机的两个夹持端之间进行多层金属复合材料待检测界面的拉-剪疲劳测试，所述的试样呈长方体形结构，包括左右平行设置的至少两个金属层，至少两个金属层沿长方体形结构的厚度方向左右依次设置，且每相邻两个金属层之间均通过焊接固定，所述长方体形试样的长度为疲劳试验机两个夹持端之间的间距，宽度为30~40mm，在试样长度方向的中部还加工有两个矩形凹槽，两个矩形凹槽分别开设在长方体形试样长度方向的左右两侧，且上下交错设置，矩形凹槽平行于试样的宽度方向设置，且贯穿试样的整个宽度方向，两个矩形凹槽沿竖直方向上的宽度一致，且均为5~10mm，每个矩形凹槽在长方体形试样厚度方向上的开设深度直至多层金属复合材料的待检测界面处，而上下交错设置的两个矩形凹槽之间的竖直间距为待检测界面左右两侧的两个金属层中厚度较薄的金属层厚度的1.5倍。
优选的，所述试样的长度不小于250mm。
焊接态多层金属复合材料界面拉-剪疲劳试验方法，包括以下步骤：
步骤一、采用经过焊接工艺评定合格的工艺方法对至少两个金属层进行焊接，之后，切除焊接连接板，制得多层金属复合材料，备用；
步骤二、采用机械加工方式对步骤一制得的多层金属复合材料进行加工，制得多个长度与疲劳试验机两个夹持端之间的间距一致，宽度为30~40mm，且待检测界面的左右两侧分别加工有一个矩形凹槽的拉-剪疲劳试样；
步骤三、随机选取至少一个步骤二制得的拉-剪疲劳试样，将拉-剪疲劳试样长度方向的两端分别夹装在疲劳试验机的两个夹持端上，分别对每个选取的拉-剪疲劳试样进行拉-剪疲劳测试，测得多个单一拉剪强度，之后，取多个单一拉剪强度的平均值作为试样拉剪强度；
步骤四、根据步骤三测得的试样拉剪强度，选定多个大小不同的应力值，将步骤三完成随机选择后剩余的多个拉-剪疲劳试样按照已选定的应力值的个数平均分为多个应力测试组，备用；
步骤五、将步骤四多个应力测试组中的每个拉-剪疲劳试样分别夹裝在疲劳试验机上，对其进行拉-剪疲劳测试，测试过程中，采用载荷控制的方式，设定频率为15Hz，利用正弦波进行实时监测，记录每个拉-剪疲劳试样的循环次数，并测得指定循环次数下的拉-剪疲劳极限， 根据测定的数值结果，即可做出焊接态多层金属复合材料的界面拉-剪疲劳S-N曲线。
优选的，在步骤一中，所述切除焊接连接板的方式为机械加工方式。
优选的，在步骤四中，所述选定的应力值的个数至少为四个。
优选的，在步骤四中，所述选定的应力值的数值范围为试样拉剪强度的0.1-0.8倍。
优选的，在步骤四中，所述每个应力测试组中拉-剪疲劳试样的个数为2~3个。
有益效果：
1、本发明的焊接态多层金属复合材料界面拉-剪疲劳试样，结构简单、制作方便，设计合理，能够较好的配合疲劳试验机进行拉-剪疲劳试验。采用本发明的试验方法，可以检测两层及两层以上金属复合材料中任意界面的拉-剪疲劳强极限，并能够测出指定循环次数下的界面拉剪疲劳极限，以精确拟合拉-剪疲劳S-N曲线，为多层金属复合材料的应用设计提供技术支撑，以满足苛刻工况条件下使用需求。
2、本发明的试样和试验方法经实际生产制造应用后，实用效果较好。同时，也适用于在实验室开展多层金属复合材料模拟工况条件下的拉-剪疲劳性能试验研究，以对多层金属复合材料进行进一步的推广应用。
附图说明
图1为焊接态多层金属复合材料界面拉-剪疲劳试样的结构示意图；
图2为实施例1中焊接态钛钢复合板试样的拉-剪疲劳试验照片；
图3为实施例1中试验后焊接态钛钢复合板试样的形貌照片；
图4为实施例1中焊接态钛钢复合板的拉-剪疲劳S-N曲线；
附图标记：1、金属层；2、矩形凹槽；3、待检测界面。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案做进一步详细的阐述和说明。
焊接态多层金属复合材料界面拉-剪疲劳试样，该试样用于夹持固定在疲劳试验机的两个夹持端之间进行多层金属复合材料待检测界面3的拉-剪疲劳测试，所述的试样呈长方体形结构，包括左右平行设置的至少两个金属层1，至少两个金属层1沿长方体形结构的厚度方向左右依次设置，且每相邻两个金属层1之间均通过焊接固定，所述长方体形试样的长度为疲劳试验机两个夹持端之间的间距，不小于250mm，宽度为30~40mm，在试样长度方向的中部还加工有两个矩形凹槽2，两个矩形凹槽2分别开设在长方体形试样长度方向的左右两侧，且上下交错设置，矩形凹槽2平行于试样的宽度方向设置，且贯穿试样的整个宽度方向，两个矩形凹槽2沿竖直方向上的宽度一致，且均为5~10mm，每个矩形凹槽2在长方体形试样厚度方向上的开设深度直至多层金属复合材料的待检测界面处，而上下交错设置的两个矩形凹槽2之间的竖直间距为待检测界面3左右两侧的两个金属层1中厚度较薄的金属层1厚度的1.5倍。
焊接态多层金属复合材料界面拉-剪疲劳试验方法，包括以下步骤：
步骤一、采用经过焊接工艺评定合格的工艺方法对至少两个金属层1进行焊接，之后，采用机械加工方式切除焊接连接板，制得多层金属复合材料，备用；
步骤二、采用机械加工方式对步骤一制得的多层金属复合材料进行加工，制得多个试样长度不小于250毫米（具体长度根据疲劳试验设备夹持长度确定），宽度为30~40mm，且待检测界面3的左右两侧分别加工有一个矩形凹槽2的拉-剪疲劳试样；
其中，矩形凹槽2的宽度为5~10mm，矩形凹槽2底部为待检测剪切强度的金属复合材料界面，两矩形凹槽2之间的竖直间距为为待检测界面3左右两侧的两个金属层1中厚度较薄的金属层1厚度的1.5倍（可允许0.1mm的误差）；
步骤三、随机选取至少一个步骤二制得的拉-剪疲劳试样，将拉-剪疲劳试样长度方向的两端分别夹装在疲劳试验机的两个夹持端上，分别对每个选取的拉-剪疲劳试样进行拉-剪疲劳测试，测得多个单一拉剪强度，之后，取多个单一拉剪强度的平均值作为试样拉剪强度；
步骤四、根据步骤三测得的试样拉剪强度，选定至少为四个大小不同的应力值，选定的应力值的数值范围为试样拉剪强度的0.1-0.8倍，将步骤三完成随机选择后剩余的多个拉-剪疲劳试样按照已选定的应力值的个数平均分为多个应力测试组，且要求每个应力测试组中拉-剪疲劳试样的个数为2~3个；本发明的试验方法，是模拟实际焊接工况条件下，焊接后采用机械方式切除焊接连接板，避免热加工对金属复合材料界面的影响。
步骤五、将步骤四多个应力测试组中的每个拉-剪疲劳试样分别夹裝在疲劳试验机上，对其进行拉-剪疲劳测试，测试过程中，采用载荷控制的方式，设定频率为15Hz，利用正弦波进行实时监测，记录每个拉-剪疲劳试样的循环次数，并测得指定循环次数下的拉-剪疲劳极限， 根据测定的数值结果，即可做出焊接态多层金属复合材料的界面拉-剪疲劳S-N曲线。
在本发明的试验方法中，均采用机械加工方式对多层金属复合材料进行制备和加工，以制得拉-剪疲劳试样，机械加工方式避免了热加工对金属复合材料界面的影响。
本发明的试验方法，对于两层及两层以上的金属复合材料，均可以采用机械加工方式加工出拉-剪疲劳试样，可以精确测量到任一界面的拉-剪疲劳强度。
本发明的试验方法，在试样中部，从待检测拉-剪疲劳强度的界面相邻的两种金属表面加工矩形凹槽，从而可保证在试验过程中，试样破坏在界面上。
实施例1
本实施例以钛钢复合板作为试验材料，其具体的试样加工和试样方法为：
以厚度为2mm的金属钛板和厚度为14mm的钢板为基料，参照CB/T3953-2019要求进行了焊接工艺加工，制得厚度为（2+14）mm的钛钢复合板。对制得的钛钢复合板进行焊后锯取，制备得到11件钛钢复合板基样，该钛钢复合板基样的长度为260毫米，宽度30mm，之后，采用锯工的方式分别从钛层和钢层表面对每件钛钢复合板基样进行矩形凹槽的锯取，直至完全露出钛、钢界面，锯取的矩形凹槽的宽度为8mm，每件钛钢复合板基样上两矩形凹槽之间的竖直间距为3mm，制得11件钛钢复合板拉-剪疲劳试样。
从制得的11件钛钢复合板拉-剪疲劳试样中随机选择一件，之后，采用INSTRON1343-250kN疲劳试验机对选择的钛钢复合板拉-剪疲劳试样进行拉-剪疲劳试验，不断加载应力值，直至钛钢复合板拉-剪疲劳试样被拉断，测得其拉剪强度为315MPa；根据该拉剪强度检测结果，选定钛钢复合板拉-剪疲劳试样的应力级别见表1所示（共分为五个应力测试组），之后，将剩余的10件钛钢复合板拉-剪疲劳试样对应于五个应力测试组进行平均分配，使每个应力测试组均包括两个钛钢复合板拉-剪疲劳试样。然后，采用INSTRON1343-250kN疲劳试验机对10件钛钢复合板拉-剪疲劳试样分别进行拉-剪性能测试， 测试时采用载荷控制，频率为15Hz，采用正弦波进行实时监测，记录每个钛钢复合板拉-剪疲劳试样的循环次数，并测得指定循环次数下的拉-剪疲劳极限， 根据测定的数值结果，即可做出钛钢复合板的界面拉-剪疲劳S-N曲线。
本实施例中焊接态钛钢复合板的拉-剪疲劳试验过程见附图2所示。焊接态钛钢复合板的拉-剪疲劳试验检测结果见表1所示。试验后的焊接态钛钢复合板拉-剪疲劳试样的形貌状态见附图所示3，其中附图3中，试样进行测试的应力值从左到右依次减小，即：左右依次对应于189.0 MPa、126.0 MPa、94.5 MPa、63.0 MPa和31.5 MPa。最终制得的拉-剪疲劳S-N曲线见附图4所示，从附图4中可以得出：在指定循环次数达到2×106次时，本实施例的焊接态钛钢复合板的拉-剪疲劳极限为62.96MPa。
表1 焊接态钛-钢复合板拉-剪疲劳试验检测结果
Figure DEST_PATH_IMAGE002

Claims (7)

1.焊接态多层金属复合材料界面拉-剪疲劳试样，该试样用于夹持固定在疲劳试验机的两个夹持端之间进行多层金属复合材料待检测界面（3）的拉-剪疲劳测试，其特征在于：所述的试样呈长方体形结构，包括左右平行设置的至少两个金属层（1），至少两个金属层（1）沿长方体形结构的厚度方向左右依次设置，且每相邻两个金属层（1）之间均通过焊接固定，所述长方体形试样的长度为疲劳试验机两个夹持端之间的间距，宽度为30~40mm，在试样长度方向的中部还加工有两个矩形凹槽（2），两个矩形凹槽（2）分别开设在长方体形试样长度方向的左右两侧，且上下交错设置，矩形凹槽（2）平行于试样的宽度方向设置，且贯穿试样的整个宽度方向，两个矩形凹槽（2）沿竖直方向上的宽度一致，且均为5~10mm，每个矩形凹槽（2）在长方体形试样厚度方向上的开设深度直至多层金属复合材料的待检测界面处，而上下交错设置的两个矩形凹槽（2）之间的竖直间距为待检测界面（3）左右两侧的两个金属层（1）中厚度较薄的金属层（1）厚度的1.5倍。
2.根据权利要求1所述的焊接态多层金属复合材料界面拉-剪疲劳试样，其特征在于：所述试样的长度不小于250mm。
3.利用权利要求1所述的焊接态多层金属复合材料界面拉-剪疲劳试样进行试验的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、采用经过焊接工艺评定合格的工艺方法对至少两个金属层（1）进行焊接，之后，切除焊接连接板，制得多层金属复合材料，备用；
步骤二、采用机械加工方式对步骤一制得的多层金属复合材料进行加工，制得多个长度与疲劳试验机两个夹持端之间的间距一致，宽度为30~40mm，且待检测界面（3）的左右两侧分别加工有一个矩形凹槽（2）的拉-剪疲劳试样；
步骤三、随机选取至少一个步骤二制得的拉-剪疲劳试样，将拉-剪疲劳试样长度方向的两端分别夹装在疲劳试验机的两个夹持端上，分别对每个选取的拉-剪疲劳试样进行拉-剪疲劳测试，测得多个单一拉剪强度，之后，取多个单一拉剪强度的平均值作为试样拉剪强度；
步骤四、根据步骤三测得的试样拉剪强度，选定多个大小不同的应力值，将步骤三完成随机选择后剩余的多个拉-剪疲劳试样按照已选定的应力值的个数平均分为多个应力测试组，备用；
步骤五、将步骤四多个应力测试组中的每个拉-剪疲劳试样分别夹裝在疲劳试验机上，对其进行拉-剪疲劳测试，测试过程中，采用载荷控制的方式，设定频率为15Hz，利用正弦波进行实时监测，记录每个拉-剪疲劳试样的循环次数，并测得指定循环次数下的拉-剪疲劳极限， 根据测定的数值结果，即可做出焊接态多层金属复合材料的界面拉-剪疲劳S-N曲线。
4.根据权利要求3所述的焊接态多层金属复合材料界面拉-剪疲劳试验方法，其特征在于：在步骤一中，所述切除焊接连接板的方式为机械加工方式。
5.根据权利要求3所述的焊接态多层金属复合材料界面拉-剪疲劳试验方法，其特征在于：在步骤四中，所述选定的应力值的个数至少为四个。
6.根据权利要求3所述的焊接态多层金属复合材料界面拉-剪疲劳试验方法，其特征在于：在步骤四中，所述选定的应力值的数值范围为试样拉剪强度的0.1-0.8倍。
7.根据权利要求3所述的焊接态多层金属复合材料界面拉-剪疲劳试验方法，其特征在于：在步骤四中，所述每个应力测试组中拉-剪疲劳试样的个数为2~3个。
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CN114235576A (zh) * 2021-12-16 2022-03-25 中南大学 一种利用拉伸单剪方法定性分析多层异质梯度材料最弱界面的方法
CN114235576B (zh) * 2021-12-16 2023-11-10 中南大学 一种利用拉伸单剪方法定性分析多层异质梯度材料最弱界面的方法

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