基于損傷容限設(shè)計(jì)的金屬材料力學(xué)性能評(píng)價(jià)方法

黃 睿

（太原科技大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院 山西 太原 030024）

1 引言

金屬材料在航空、機(jī)械等領(lǐng)域，都顯示出巨大應(yīng)用前景，但金屬材料在產(chǎn)業(yè)化和實(shí)用化過(guò)程中，易受材料力學(xué)性能、以及使用者對(duì)其認(rèn)識(shí)不夠等因素的制約，因此，評(píng)價(jià)金屬材料力學(xué)性能，具有重要意義[1]。硬度作為重要評(píng)價(jià)指標(biāo)，明確金屬材料硬度的十級(jí)分級(jí)，把金屬材料抵抗刻劃的能力作為衡量硬度的依據(jù)，同時(shí)令金屬材料受外界載荷作用，引起不均勻塑性變形，測(cè)量材料剛度和尺寸穩(wěn)定性，根據(jù)硬度、抗脆斷能力、抗疲勞強(qiáng)度，評(píng)價(jià)金屬材料力學(xué)性能，但該方法實(shí)施過(guò)程中，材料內(nèi)部殘余應(yīng)力不穩(wěn)定，力學(xué)性能測(cè)量值偏差較大[2]。文獻(xiàn)[3]采用超聲疲勞試驗(yàn)技術(shù)，充分考慮微動(dòng)損傷的影響，分析金屬材料的高周疲勞性能，在旋轉(zhuǎn)彎曲加載下，掃描疲勞斷口，獲得金屬材料疲勞曲線，準(zhǔn)確反映材料疲勞極限，對(duì)材料力學(xué)性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，但該方法實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的時(shí)間變化速率較慢，力學(xué)性能測(cè)量值偏差同樣較大。針對(duì)這一問(wèn)題，結(jié)合以上理論，此次提出基于損傷容限設(shè)計(jì)的金屬材料力學(xué)性能評(píng)價(jià)方法，希望得出更加準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)結(jié)果。

2 金屬材料力學(xué)性能評(píng)價(jià)方法設(shè)計(jì)

損傷容限設(shè)計(jì)的技術(shù)目標(biāo)是，保證含有裂紋的結(jié)構(gòu)在規(guī)定的未修使用期內(nèi)，其承載能力不小于在這個(gè)期間可能遇到的最大載荷，從而使機(jī)體不會(huì)由于裂紋存在而發(fā)生災(zāi)難性破壞，保證機(jī)體結(jié)構(gòu)安全。在考慮損傷容限的狀態(tài)下評(píng)價(jià)金屬材料的力學(xué)性能，更有助于降低偏差。

2.1 動(dòng)態(tài)沖擊金屬材料

設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)沖擊壓痕裝置，動(dòng)態(tài)沖擊金屬材料，造成材料損傷。利用HSYU826型精密硬脆性材料切割機(jī)，對(duì)金屬材料進(jìn)行切割，把切割后的樣品固定在支撐架上，支承架應(yīng)有保護(hù)層材料，動(dòng)態(tài)沖擊樣品，在樣品表面上留下一定尺寸的殘余壓痕痕跡[4]。動(dòng)態(tài)沖擊壓痕裝置采用擊發(fā)器，發(fā)射一定速度的氮化硅陶瓷球，對(duì)金屬材料的樣品表面造成沖擊，在樣品上殘留一定壓痕形貌、幾何尺寸的壓痕痕跡。當(dāng)沖擊樣品時(shí)的最大沖擊力值不能精確計(jì)算時(shí)，則采用錐形陶瓷壓桿滑動(dòng)裝置，把動(dòng)態(tài)力傳感器與該裝置的碳化硅錐形沖頭相連，用碳化硅錐形沖頭沖擊材料樣品，在沖擊過(guò)程中，利用動(dòng)態(tài)力傳感器的數(shù)據(jù)線，把沖擊力-時(shí)間關(guān)系曲線，傳輸給滑動(dòng)裝置的大型動(dòng)態(tài)處理模塊[5]。采用動(dòng)態(tài)力傳感器測(cè)得力值、沖擊載荷信號(hào)、時(shí)間信號(hào)，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大，實(shí)時(shí)分析相應(yīng)的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，令設(shè)備與DASP-ET工程版軟件相配套，實(shí)時(shí)監(jiān)控、分析、處理和保存放大后的信號(hào)，至此完成金屬材料的動(dòng)態(tài)沖擊。

2.2 獲取金屬材料損傷容限力學(xué)響應(yīng)

改變金屬材料的沖擊力，比較不同載荷下金屬材料的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，獲取材料損傷容限的力學(xué)行為響應(yīng)。選擇的儀器設(shè)備如下：YSHG8368型精密研磨拋光機(jī)，HSY7396型超聲波清洗機(jī)，F(xiàn)DJ739G63型光學(xué)顯微鏡，HXD—1000TMC/LCD型自動(dòng)轉(zhuǎn)塔顯微硬度計(jì)，CMT5105型微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，F(xiàn)SY638H632型雙通道聲發(fā)射儀。

拋光并清洗材料樣品，對(duì)樣品施加沖擊載荷，設(shè)置的測(cè)試參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 樣品力學(xué)響應(yīng)測(cè)試參數(shù)

當(dāng)樣品出現(xiàn)裂紋時(shí)，卸除載荷，測(cè)量壓痕的幾何尺寸、厚度大小、接觸面積等，然后繼續(xù)施加載荷，保持相同的載荷增量，直至樣品裂痕到達(dá)損傷容限。縱向比較不同沖擊載荷下，樣品的力學(xué)行為響應(yīng)，在統(tǒng)計(jì)的測(cè)量數(shù)據(jù)中，尋找樣品損傷容限下的最大載荷值，分析最大載荷值相應(yīng)的力學(xué)響應(yīng)，包括彈性模量、硬度、強(qiáng)度。至此完成金屬材料損傷容限力學(xué)響應(yīng)的獲取。

2.3 評(píng)價(jià)金屬材料力學(xué)性能

計(jì)算損傷容限下的彈性模量、硬度、強(qiáng)度，評(píng)價(jià)金屬材料力學(xué)性能。把樣品放置在顯微硬度計(jì)的載物臺(tái)上，分析樣品力學(xué)行為的不同響應(yīng)，根據(jù)等效面積法則和材料體系硬度，計(jì)算材料硬度值H，公式為：

其中A為錐形沖頭與材料的接觸面積，L為錐形沖頭接觸深度，P為施加載荷值。利用電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，測(cè)量不同沖擊載荷下的樣品撓度值，測(cè)量方法采用三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)法，再利用敏感位移測(cè)試儀，對(duì)撓度變化進(jìn)行測(cè)量，取多次測(cè)量平均值，用于材料彈性模量的評(píng)價(jià)。根據(jù)不同載荷下的材料力學(xué)行為響應(yīng)，比較樣品剛度變化，計(jì)算樣品彈性模量J，公式為：

其中I為樣品測(cè)量撓度，K為錐形沖頭接觸寬度，為樣品動(dòng)態(tài)沖擊的慣性矩。通過(guò)發(fā)射裝置，對(duì)樣品開(kāi)裂時(shí)的臨界載荷值進(jìn)行捕捉，采用三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)方法，對(duì)材料強(qiáng)度值進(jìn)行測(cè)量。樣品強(qiáng)度U計(jì)算公式為：

其中O為三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)跨距，y為樣品沖擊應(yīng)力到中性軸的距離。損傷容限的硬度值H、彈性模量J、強(qiáng)度U越大，表明材料的裂紋擴(kuò)展壽命和疲勞壽命越長(zhǎng)，金屬材料力學(xué)性能的評(píng)價(jià)等級(jí)就越高。至此完成金屬材料力學(xué)性能的評(píng)價(jià)，實(shí)現(xiàn)基于損傷容限設(shè)計(jì)的金屬材料力學(xué)性能評(píng)價(jià)方法設(shè)計(jì)。

3 實(shí)驗(yàn)論證分析

將此次評(píng)價(jià)方法，與常規(guī)金屬材料力學(xué)性能評(píng)價(jià)方法，進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，應(yīng)用兩組方法評(píng)價(jià)金屬材料力學(xué)性能，比較力學(xué)響應(yīng)測(cè)量值與標(biāo)準(zhǔn)值的偏差大小。

3.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

力學(xué)性能評(píng)價(jià)的金屬材料，選取鋁合金材料，該材料為PM法制備的Al-Cu基復(fù)合材料和Al-Cu-Mg基復(fù)合材料，金屬材料力學(xué)性能為已知的標(biāo)準(zhǔn)值，在厚度分別為100 mm的鋁合金復(fù)合材料上，切下尺寸為10×10×30 mm3的矩形樣品，將Al-Cu-Mg材料記為樣品I，Al-Cu材料記為樣品II。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

兩組方法分別在不同的實(shí)驗(yàn)溫度下，測(cè)量樣品I和樣品II損傷極限下的彈性模量，比較測(cè)量值和標(biāo)準(zhǔn)值的偏差大小，第一組實(shí)驗(yàn)完成后，兩組方法分別測(cè)量樣品I和樣品II損傷極限下的硬度，比較測(cè)量值和標(biāo)準(zhǔn)值的偏差大小，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 彈性模量測(cè)量偏差對(duì)比結(jié)果

由表2可知，針對(duì)樣品I的Al-Cu-Mg材料，設(shè)計(jì)方法測(cè)量值與標(biāo)準(zhǔn)值更加吻合，彈性模量平均測(cè)量偏差為1.96 GPa，常規(guī)方法平均測(cè)量偏差為3.22 GPa，相比常規(guī)方法，設(shè)計(jì)方法彈性模量測(cè)量偏差減小了1.26 GPa，針對(duì)樣品II的Al-Cu材料，設(shè)計(jì)方法彈性模量的平均測(cè)量偏差為2.73 GPa，常規(guī)方法平均測(cè)量偏差為4.55 GPa，相比常規(guī)方法，設(shè)計(jì)方法彈性模量測(cè)量偏差減小了1.82 GPa。

針對(duì)樣品I的Al-Cu-Mg材料，設(shè)計(jì)方法硬度平均測(cè)量偏差為2.02 GPa，常規(guī)方法平均測(cè)量偏差為3.9 GPa，相比常規(guī)方法，設(shè)計(jì)方法硬度測(cè)量偏差減小了1.88 GPa，針對(duì)樣品II的Al-Cu材料，設(shè)計(jì)方法硬度平均測(cè)量偏差為1.92 GPa，常規(guī)方法平均測(cè)量偏差為4.09 GPa，相比常規(guī)方法，設(shè)計(jì)方法硬度測(cè)量偏差減小了2.17 GPa。綜上所述，設(shè)計(jì)方法相比常規(guī)方法，材料力學(xué)響應(yīng)測(cè)量值更加貼近標(biāo)準(zhǔn)值，充分保證了力學(xué)性能測(cè)量數(shù)據(jù)的精確度。

4 結(jié)語(yǔ)

此次設(shè)計(jì)方法充分發(fā)揮了損傷容限設(shè)計(jì)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，提高了力學(xué)性能測(cè)量值的準(zhǔn)確度，評(píng)價(jià)結(jié)果更加可靠。但此次研究仍存在一定不足，在今后的研究中，會(huì)對(duì)非常規(guī)條件下的材料力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)量，令評(píng)價(jià)結(jié)果具有更高的實(shí)用價(jià)值。