冶金材料疲勞損傷測試方法研究

王 琛

（山東省冶金產品質量監督檢驗站有限公司，山東 濟南 250000）

冶金材料是一種特殊的材料被廣泛地應用在工業制造中，其具有很多優點，例如節能，環保等，近幾年在工業制造中占有顯著地位，漸漸成為了某些特定零件的指定制造材料，因此研究人員對其進行了專項研究。近年來隨著汽車工業的發展，高性能冶金零件的應用不斷增加，為冶金材料的應用提供了更大的市場[1]。在現代工業中，尤其是汽車、動力機械的主要零件，其都會面臨荷載超標導致的零件疲勞性改變，會改變零件的形狀，特性，造成使用故障，根據調查顯示，目前由于零件疲勞損傷引發的故障約占80%，材料疲勞會導致焊接問題，連桿問題甚至更嚴重破壞性問題。

在這種狀況下產生了許多種類的冶金零件，冶金材料的測試技術競爭力大于機械零件的鑄造、機械加工等傳統技術。該技術已廣泛應用于發動機的主要零件配備，其可以減少動態負載中的負載總量[2]，使此時的負載在額定范圍內，從而避免了冶金材料的疲勞性損傷，因此，其具有很高的抗疲勞性。本文密切跟蹤金屬材料的研究熱點，結合目前國內外冶金材料疲勞損傷的研究進展，分析了金屬材料疲勞損傷發生發展的原因，并設計了新的疲勞損傷測試方法，為后續研究提供參考。

1 冶金材料疲勞損傷測試方法設計

1.1 選取疲勞損傷測試參數

疲勞損傷力學模型用于冶金材料的疲勞測試中的主要問題就是屈服參數太多，很難確定正確數值。但是，雖然該模型的應用曾經受到限制[3]，但其應用前景廣闊，近年來國外學者開始研究模型參數的修正。在研究的基礎上，本文設計的方法采用了閉模壓制成形實驗和Green Compact強度實驗確定模型中的未知參數，詳細描述了各參數的推導過程，并解釋了冶金材料中相對密度的關系，從而獲取冶金材料疲勞損傷的各個參數。

關于Drucker-Prager 剪切斷面的確定，試驗中剪切曲線的非線性截面是由剪切疲勞損傷現象引起的，即損傷路徑與Drucker-Prager 斷面在軸向應力之前相交。基于這個假設，定義了Drucker-Prager的損傷面[4]。通過測量CD 點可以繪制一條直線作為剪切損傷曲線。這種方法雖然看起來很簡單，但是在損傷模擬測試中可以找到通過這種驗證方法確定的參數，由于損傷路徑滿足斷裂曲線，因此該過程中的損傷現象與實際情況不符。測試參數通常是0.01到0.05之間的常數，本方法的參數設定為0.02。該參數可以通過分析冶金材料表面加載點處的應力狀態來確定。加載路徑由P-R 空間中的曲線OA 表示，點A 位于測試的疲勞損傷平面上。

1.2 建立冶金材料疲勞損傷的有限元模型

建立冶金材料疲勞有限元模型首先要考慮的因素是建模指數。冶金材料為各向異性材料，單層板經硬化復合，層壓板由不同方向排列的單層板層壓而成。如何可靠有效地建模和準確定義材料參數是冶金材料疲勞損傷測試面臨的主要挑戰。

本文設計的方法使用密度修正的Drucker-Prager Cap 有限元模型來模擬冶金Distaloy AE 中的單向成型過程。模型為有限元軟件Abaqus提供二次開發平臺，用戶子程序USDFLD基于Fortran進行語言編寫[5]。由于冶金材料參數可以用相對密度的函數來表達，因此在本方法中將冶金材料的相對密度定義為一個場變量，用在每個增量步驟中不斷更新當前材料屬性，從而計算當前各單元的相對密度，然后根據輸入的材料參數更新有限元模型，更新后的參數用于下一時間應力的計算，建立的模型如圖1所示。

圖1 有限元模型

如圖1所示，實驗中采用的模具結構的壓坯直徑d =20 mm，初始相對密度為0.4，冶金材料填充高度為11 mm，最終壓坯高度為5 mm，由于壓制過程中的慣性力遠遠小于壓制力，因此其對壓制過程的影響很小，模擬過程中忽略動力學因素的影響，可作為準靜態問題進行分析。由于材料呈對稱性，因此只需要取四分之一進行分析，通過等步長位移加載方式進行加載。采用庫侖摩擦模型對壓制過程中的摩擦現象進行模擬。

1.3 計算冶金材料彈塑性

冶金材料的壓制成型過程非常復雜，涉及運動、變形和摩擦等機械作用[6]。然而，由于冶金材料在壓制過程中位移變化大，模具與壓坯接觸分離，因此增加了解決的難度。為解決冶金材料的塑性加工問題，曾采用成形分析方法，但問題往往被簡化，假設金屬材料是均勻的、理想的剛性塑性體，即彈性變形的影響可以忽略不計，可變形體是平面變形。然而，經過簡化，冶金材料彈塑性的計算方法是錯誤的。因此，要解決這些復雜的非線性問題，必須采用數值計算方法，而非線性求解最有力的工具是有限元法，這也是近年來模擬金屬塑性過程的最佳方法。

有限元法的基本思想是通過數學解釋將連續問題離散為有限元。有限元是應用于離散系統的標準方法。將連續體劃分為有限數量的塊，這些塊的屬性在標準離散系統中進行了描述。經過多年的發展，有限元方法的應用已經從一般的線性問題擴展到非線性和流體動力學領域，基于此，計算冶金材料的彈塑性公式如下（1）所示。

公式（1）中，d代表冶金材料彈塑性，x代表彈性參數，f代表檢測到的彈性數值，t代表變化時間。

1.4 實現冶金材料疲勞損傷測試

為了實現冶金材料的疲勞損傷測試，需要對成形工藝進行驗證。一方面說明該模型的材料參數及其確定方法準確，另一方面說明Drucker-Prager Cap具有較高的精度。Drucker-Prager Cap計算的結果基本上選用了冶金材料的高密度區域。模擬的壓坯平均密度僅在冶金材料的低密度區域隨著擠壓力的增加而略有增加，基于廣義的屈服模型在模擬計算中具有更高的精度。

2 實驗

為了檢測本文設計的冶金材料疲勞損傷測試方法的性能，利用鋼平臺疲勞試樣檢測常規的疲勞測試方法和本文設計的疲勞測試方法的疲勞壽命，實驗如下。

2.1 實驗準備

選擇厚度均為10 mm的3塊冶金材料，編號為1、2、3其中1和2試件做對比試驗，3試件為標準驗證，其疲勞試樣結構示意圖如圖2所示。

圖2 疲勞試樣結構示意圖

如圖2所示，設置正弦波頻率為15 Hz，單次疲勞時循環次數10萬次，對有限幅值的激勵信號進行濾波，并輸出到激勵探頭。信號通過待測樣品被接收探頭接收后，使用BNC三路連接器發射到接收通道分別接收。兩個通道通過一個10 MHz 高通濾波器和一個有源信號放大器接收信號，搭建的檢測系統如圖3所示。

圖3 檢測結構示意圖

如圖3所示，檢測系統具有兩個獨立的輸入通道，其探頭通過醫用超聲荊合劑荊合在冶金試件薄板上。

2.2 實驗結果與討論

試樣1代表本文設計的疲勞損傷測試方法繪制的疲勞壽命曲線，試樣2代表常規的疲勞損傷測試方法繪制的疲勞壽命曲線，試樣3代表標準疲勞壽命曲線，繪制結果如圖4所示。

圖4 疲勞壽命曲線

由圖4可知，本文設計的疲勞檢測方法檢測的疲勞壽命數值最貼近實際數值，因此檢測性能良好，檢測準確性高。

3 結語

綜上所述，對冶金材料進行疲勞損傷測試可以準確地測出此時冶金材料的疲勞狀態，對其性能分析有重要的影響，因此本文在常規疲勞檢測方法的基礎上進行優化，設計了新的冶金材料疲勞檢測方法，實驗證明，該方法檢測到的疲勞壽命曲線貼近實際值，因此具有準確性，有一定的應用價值。