6005A焊接件在給定疲勞壽命下中值疲勞強度的研究

那熙君，王 宇，李恩波，秦世龍，李澤越

(遼寧忠旺集團有限公司，遼寧 遼陽111003)

疲勞是一種隱藏的破壞形式，疲勞破壞時時刻刻都在進行，并且幾乎不可能避免。金屬、混凝土、橡膠和復合材料等各種材料，在載荷的反復作用下，都會出現疲勞現象[1]。鋁合金在使用過程中有時會出現難以檢測和預防的疲勞斷裂，疲勞斷裂是由于材料經過交變應力和應變的長期作用，表面或內部產生微觀裂紋，累積損傷使裂紋達到臨界尺寸后，構件在無法承受某一次應力時突然斷裂[2]。材料的化學成分，熱處理狀態，外部的表面狀態，會存在著微小的差別。即使實驗控制的十分精準，疲勞測試結果也會有很大的差異[3]，說明疲勞失效具有隨機性。中值疲勞強度是指疲勞強度達到了一個中等水平，如果構件繼續運行，將會達到疲勞極限，導致出現斷裂。測定焊接件的中值疲勞強度，對材料研制、機械設計、工藝和質量控制、產品性能評估和失效分析等具有重要的意義。

1 實驗材料和方法

1.1 實驗材料

合金牌號為6005A熱影響區鋁型材，人工時效T6狀態，型材斷面如圖1所示，縱向取樣，壁厚13.5mm。化學成分和機械性能見表1和表2。

圖1 型材斷面

表1 化學成分(質量分數，%)

表2 熱影響區拉伸性能

2.2 試樣形狀與尺寸

采用寬度為25mm的矩形等截面疲勞試樣，使焊縫位于試樣工作部分的中間位置，應力集中系數Kt=1，去除焊縫部位的余高，使試樣厚度與母材壁厚盡量相同，試樣兩側面經銑削加工和拋光，加工表面粗糙度不大于0.4μm。使用千分尺和工具顯微鏡分別測量式樣的厚度和寬度。

2.3 試驗條件

采用德國Zwick Vibrophore電磁共振式高頻疲勞試驗機。規定試驗應力水平，按升降法的原則，選擇相應的最大應力σmax，循環次數N0=1×107，應力比分別選擇0.1和0.5。

2.4 試驗方法

如果試驗的目的只需要求出疲勞極限，則按(1)式計算：

(1)

式中，n為有效試驗總次數；m為升降應力水平級數；σi為第i級應力水平；Vi為第i級應力水平下的試驗次數。

如果試驗需要求出中值疲勞強度和標準差，進而確定置信度，則應將相鄰應力水平的各數據點按一個破壞點(×)和一個未破壞點(○)配成一對，如果升降圖是封閉的，則所有試驗點都能配成對子，這時中值疲勞強度的估計量按(2)式計算，(1)式和(2)式計算的結果相同。

(2)

子樣標準差按(3)式計算：

(3)

(4)

式中，kp為單側誤差限系數，kp值可查表得出，角標P為存活率。

3 實驗結果

3.1 試驗原始數據

規定循環次數N0=1×107，應力比為0.1和應力比為0.5的試驗數據分別列入表3和表4中，并用有效數據點繪制升降圖，如圖2和圖3所示。

表3 應力比為0.1升降法試驗結果

表4 應力比為0.5的升降法試驗結果

3.2 試驗數據處理

×-破壞；○-未破壞

×-破壞；○-未破壞

表5 應力比為0.1 計算對子應力

表6 應力比為0.5計算對子應力

4 實驗結果分析

(1)應力水平和應力臺階的選擇。以熱影響區試件規定塑性延伸強度平均值的60%作為預計的中值疲勞強度，約為77MPa。相鄰兩級應力水平的應力增量應為預計疲勞強度的3%～5%。取預計疲勞強度的4%，即約為3MPa。

在理想狀態下，如試樣的化學成分、熱處理制度、加工形狀等都相同的試驗條件下，假設所采用的應力水平相同，做應力比為0.1的試樣要比做0.5應力比的試樣先失效。這是因為，應力比為0.1的應力幅，比應力比為0.5的幅大。說明在其他條件都相同的條件下，應力幅越大，試樣越容易失效。也就是說，在給定的疲勞壽命下，應力比為0.1的疲勞強度要小于應力比為0.5的疲勞強度。此實驗結果與前人所研究的一至，應力比對材料疲勞特性的研究平均應力在低周和高周范圍內對材料疲勞性能的影響的相關試驗數據和相應的理論分析模型表明：平均應力的增加(增大應力比)會降低材料的疲勞壽命[6]。因此我們測應力比為0.5的中值疲勞強度時，適當高估起始的應力水平，選擇應力水平為120MPa，應力臺階選擇5MPa。

表7 升降法試驗數據處理結果

(3)升降法試驗數據的統計分析方法[4]。在不同應力水平下，采用升降法來測定疲勞強度下極限，對試樣經過指定疲勞應力循環次數N次后是否失效進行統計分析。將應力水平從小到大進行排序，So≤ S1≤S2≤…≤Si，其中，i是應力水平數。指定事件數為fi，應力臺階為d。疲勞強度的統計分析按照式(5)、式(6)計算。

(5)

(6)

(7)

表8 應力比為0.1的實驗數據分析

表9 應力比為0.5的實驗數據分析

表10 應力比為0.1和0.5的數據對比

本文所選材料，根據EN 13981-1:2003要求，循環周次為107，置信度為97.5%時，應力比為0.1時，最大應力為55MPa；應力比為0.5時，最大應力為80MPa。從所測疲勞強度值結果變化，可以看出置信度高，所要求的最大應力也會變高。

5 結論

(1)在相同條件下，應力比對中值疲勞強度影響較大。應力比為0.1的中值疲勞強度比應力比為0.5的小。應力比一定時，隨著最大應力的增加，平均應力和應力幅也會相應的增大，試樣發生失效的概率也會相應的增大。

(2)應力比為0.5的這組實驗，所選擇的應力水平和應力臺階比較合理。升降法測試中應力增量的選擇對實驗結果的置信度和測試時間有一定影響[7]。由于做疲勞試驗所用的時間較長，在利用升降法時，選擇合適的應力水平和應力臺階，非常重要。