[發(fā)明專利]一種基于紅外熱成像預(yù)測鎂合金構(gòu)件疲勞極限的系統(tǒng)和方法

無效

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• 申請日: 2012-12-07
• 公開（公告）號: CN103076243A
• 公開（公告）日: 2013-05-01
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 王文先;閆志峰;張紅霞;崔澤琴;丁敏;馬麗莉
• 申請（專利權(quán)）人: 太原理工大學(xué)
• 主分類號: G01N3/32
• 分類號: G01N3/32;G01N3/06
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技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明一種基于紅外熱成像預(yù)測鎂合金構(gòu)件疲勞極限的系統(tǒng)和方法，涉及鎂合金及其焊接結(jié)構(gòu)疲勞危險點的測量及疲勞極限預(yù)測的應(yīng)用領(lǐng)域。

背景技術(shù)

鎂是一種優(yōu)良的有色金屬，其密度1.74g/cm²，我國是世界上鎂儲量最豐富的國家。

鎂合金是最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，具有密度低、比強度和比剛度高、阻尼減震性好、機加工性能優(yōu)良、零件尺寸穩(wěn)定、易回收等特點，在航空、航天、汽車等行業(yè)具有潛在的應(yīng)用價值。目前鎂合金主要是以鑄造鎂合金和壓鑄鎂合金為主，其最具發(fā)展前途的應(yīng)用領(lǐng)域是“陸、海、空、天”交通運載裝備，這些結(jié)構(gòu)都離不開焊接技術(shù)的支持，都承受疲勞載荷的作用。

疲勞斷裂是金屬材料及其焊接結(jié)構(gòu)失效的一種主要形式，它發(fā)生在承受交變或脈動應(yīng)變的結(jié)構(gòu)中，一般來說，對應(yīng)于疲勞破壞時的最大應(yīng)力要低于材料的抗拉強度，甚至低于材料的屈服點。統(tǒng)計資料表明，在焊接結(jié)構(gòu)的斷裂失效中，有70％～90％的事故是由于焊接接頭的疲勞斷裂造成的，而大多數(shù)結(jié)構(gòu)都采用焊接結(jié)構(gòu)，一旦發(fā)生疲勞破壞事故，往往給人們的生命財產(chǎn)帶來災(zāi)難性的損失和痛苦。

目前鎂合金及其焊接結(jié)構(gòu)的疲勞性能的確定主要是通過試驗的手段進(jìn)行，通常金屬材料疲勞性能測量方法分為常規(guī)疲勞性能測量方法和升降法兩種。鋼鐵材料疲勞試驗需要經(jīng)過多個試件進(jìn)行上百萬周次的循環(huán)試驗，其中升降法一種就需要13個以上的試件。而有色金屬如鎂合金由于其特殊的組織結(jié)構(gòu)，沒有明顯的疲勞極限，試驗循環(huán)次數(shù)更可達(dá)上千萬次。不僅耗費大量的人力、物力，而且浪費大量的時間，需要幾天甚至幾個月的時間才可以對一種材料的疲勞壽命進(jìn)行評估和預(yù)測，一般取循環(huán)次數(shù)為10⁷時的載荷為鎂合金的疲勞極限及條件疲勞極限。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是針對背景技術(shù)的狀況，使用紅外熱成像設(shè)備，利用材料及其構(gòu)件本身在承受動態(tài)載荷的過程中會有熱量釋放的原理，在載荷大于疲勞極限疲勞強度時，材料的非彈性效應(yīng)所引起的不可逆熱現(xiàn)象，它所產(chǎn)生的能量絕大部分會以熱耗散的形式釋放出去，裂紋擴(kuò)展過程中由于裂尖的能量快速釋放，導(dǎo)致裂尖溫度快速上升。依據(jù)其紅外溫度場特征信息，獲得焊接結(jié)構(gòu)在疲勞載荷作用下的變形過程中能量變化特征，建立以溫度表征方式的鎂合金及其焊接構(gòu)件疲勞壽命預(yù)測方法。實際鎂合金構(gòu)件受力復(fù)雜，依據(jù)構(gòu)件受力方式(包括載荷、頻率等)，前期進(jìn)行試驗，得出材料的疲勞性能與表面溫度關(guān)系，進(jìn)而預(yù)測在役鎂合金焊接結(jié)構(gòu)疲勞裂紋的萌生點、焊接接頭的疲勞極限該方法為鎂合金及其焊接接頭的安全應(yīng)用提供了保證。

針對實際應(yīng)用的鎂合金構(gòu)件特點，本發(fā)明前期使用的材料為AZ31B鎂合金材料及其焊接接頭；焊接接頭包括對接接頭、橫向十字接頭、側(cè)面連接接頭和縱向非承載十字接頭，對鎂合金及其焊接接頭在疲勞載荷作用下產(chǎn)生裂紋后裂紋尖端的溫度變化特征信息進(jìn)行測量，疲勞試件主體的尺寸均為300mm×90mm×10mm；將試驗中各種結(jié)構(gòu)試件進(jìn)行紅外疲勞試驗得出的疲勞極限等結(jié)果，進(jìn)一步應(yīng)用到實際服役的鎂合金構(gòu)件的疲勞性能預(yù)測。

一種基于紅外熱成像預(yù)測鎂合金構(gòu)件疲勞極限的系統(tǒng)和方法，包括：疲勞試驗機夾具(1)，用于夾持疲勞試件；疲勞試件(2)包括鎂合金母材和焊接接頭試件，測試時在其表面涂一層發(fā)射率大于0.95的黑色亞光漆；疲勞試驗控制系統(tǒng)(3)，控制試驗的應(yīng)力、加載頻率；疲勞試驗系統(tǒng)(4)對鎂合金母材和焊接接頭試件進(jìn)行疲勞試驗，試驗得出不同應(yīng)力下試件循環(huán)次數(shù)，進(jìn)而擬合最大應(yīng)力與循環(huán)次數(shù)關(guān)系曲線S-N曲線，得出鎂合金疲勞強度及疲勞極限；紅外測溫系統(tǒng)(8)，在疲勞試驗試驗過程中，紅外測溫系統(tǒng)(8)得到疲勞試件(2)表面溫度變化曲線，記錄疲勞試件(2)在疲勞過程中的溫度變化數(shù)據(jù)；綜合分析系統(tǒng)(5)，應(yīng)用origin軟件將所述得出的鎂合金疲勞強度及疲勞極限，與常規(guī)疲勞試驗得出的疲勞極限進(jìn)行對比，判斷其測量準(zhǔn)確性；采用該系統(tǒng)對鎂合金構(gòu)件的危險點和疲勞強度進(jìn)行預(yù)測。

利用上述系統(tǒng)預(yù)測鎂合金構(gòu)件疲勞極限的方法，包括以下步驟：

步驟1)：選取鎂合金母材及焊接接頭試件分別在鎂合金疲勞極限值以上和疲勞極限值以下的不同應(yīng)力下進(jìn)行試驗并測溫，循環(huán)次數(shù)大于10⁷次，得到鎂合金母材及焊接接頭的疲勞極限；

步驟2)：分別對鎂合金母材及焊接接頭試件在試驗疲勞極限值以上和疲勞極限值以下不同應(yīng)力時的升溫值利用origin軟件進(jìn)行線性擬合，利用升溫值擬合鎂合金母材及焊接接頭的疲勞極限；

步驟3)：將步驟1)和步驟2)得到的疲勞強度進(jìn)行對比，分析溫升值確定鎂合金疲勞強度的準(zhǔn)確性；