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        冶金材料疲勞損傷測(cè)試方法研究

        2021-12-26 06:07:52
        中國(guó)金屬通報(bào) 2021年16期
        關(guān)鍵詞:測(cè)試方法冶金有限元

        王 琛

        (山東省冶金產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)站有限公司,山東 濟(jì)南 250000)

        冶金材料是一種特殊的材料被廣泛地應(yīng)用在工業(yè)制造中,其具有很多優(yōu)點(diǎn),例如節(jié)能,環(huán)保等,近幾年在工業(yè)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(duì)其進(jìn)行了專項(xiàng)研究。近年來(lái)隨著汽車工業(yè)的發(fā)展,高性能冶金零件的應(yīng)用不斷增加,為冶金材料的應(yīng)用提供了更大的市場(chǎng)[1]。在現(xiàn)代工業(yè)中,尤其是汽車、動(dòng)力機(jī)械的主要零件,其都會(huì)面臨荷載超標(biāo)導(dǎo)致的零件疲勞性改變,會(huì)改變零件的形狀,特性,造成使用故障,根據(jù)調(diào)查顯示,目前由于零件疲勞損傷引發(fā)的故障約占80%,材料疲勞會(huì)導(dǎo)致焊接問(wèn)題,連桿問(wèn)題甚至更嚴(yán)重破壞性問(wèn)題。

        在這種狀況下產(chǎn)生了許多種類的冶金零件,冶金材料的測(cè)試技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)力大于機(jī)械零件的鑄造、機(jī)械加工等傳統(tǒng)技術(shù)。該技術(shù)已廣泛應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)的主要零件配備,其可以減少動(dòng)態(tài)負(fù)載中的負(fù)載總量[2],使此時(shí)的負(fù)載在額定范圍內(nèi),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(diǎn),結(jié)合目前國(guó)內(nèi)外冶金材料疲勞損傷的研究進(jìn)展,分析了金屬材料疲勞損傷發(fā)生發(fā)展的原因,并設(shè)計(jì)了新的疲勞損傷測(cè)試方法,為后續(xù)研究提供參考。

        1 冶金材料疲勞損傷測(cè)試方法設(shè)計(jì)

        1.1 選取疲勞損傷測(cè)試參數(shù)

        疲勞損傷力學(xué)模型用于冶金材料的疲勞測(cè)試中的主要問(wèn)題就是屈服參數(shù)太多,很難確定正確數(shù)值。但是,雖然該模型的應(yīng)用曾經(jīng)受到限制[3],但其應(yīng)用前景廣闊,近年來(lái)國(guó)外學(xué)者開(kāi)始研究模型參數(shù)的修正。在研究的基礎(chǔ)上,本文設(shè)計(jì)的方法采用了閉模壓制成形實(shí)驗(yàn)和Green Compact強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)確定模型中的未知參數(shù),詳細(xì)描述了各參數(shù)的推導(dǎo)過(guò)程,并解釋了冶金材料中相對(duì)密度的關(guān)系,從而獲取冶金材料疲勞損傷的各個(gè)參數(shù)。

        關(guān)于Drucker-Prager 剪切斷面的確定,試驗(yàn)中剪切曲線的非線性截面是由剪切疲勞損傷現(xiàn)象引起的,即損傷路徑與Drucker-Prager 斷面在軸向應(yīng)力之前相交?;谶@個(gè)假設(shè),定義了Drucker-Prager的損傷面[4]。通過(guò)測(cè)量CD 點(diǎn)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(lái)很簡(jiǎn)單,但是在損傷模擬測(cè)試中可以找到通過(guò)這種驗(yàn)證方法確定的參數(shù),由于損傷路徑滿足斷裂曲線,因此該過(guò)程中的損傷現(xiàn)象與實(shí)際情況不符。測(cè)試參數(shù)通常是0.01到0.05之間的常數(shù),本方法的參數(shù)設(shè)定為0.02。該參數(shù)可以通過(guò)分析冶金材料表面加載點(diǎn)處的應(yīng)力狀態(tài)來(lái)確定。加載路徑由P-R 空間中的曲線OA 表示,點(diǎn)A 位于測(cè)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(shù)。冶金材料為各向異性材料,單層板經(jīng)硬化復(fù)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(zhǔn)確定義材料參數(shù)是冶金材料疲勞損傷測(cè)試面臨的主要挑戰(zhàn)。

        本文設(shè)計(jì)的方法使用密度修正的Drucker-Prager Cap 有限元模型來(lái)模擬冶金Distaloy AE 中的單向成型過(guò)程。模型為有限元軟件Abaqus提供二次開(kāi)發(fā)平臺(tái),用戶子程序USDFLD基于Fortran進(jìn)行語(yǔ)言編寫(xiě)[5]。由于冶金材料參數(shù)可以用相對(duì)密度的函數(shù)來(lái)表達(dá),因此在本方法中將冶金材料的相對(duì)密度定義為一個(gè)場(chǎng)變量,用在每個(gè)增量步驟中不斷更新當(dāng)前材料屬性,從而計(jì)算當(dāng)前各單元的相對(duì)密度,然后根據(jù)輸入的材料參數(shù)更新有限元模型,更新后的參數(shù)用于下一時(shí)間應(yīng)力的計(jì)算,建立的模型如圖1所示。

        圖1 有限元模型

        如圖1所示,實(shí)驗(yàn)中采用的模具結(jié)構(gòu)的壓坯直徑d =20 mm,初始相對(duì)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(guò)程中的慣性力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于壓制力,因此其對(duì)壓制過(guò)程的影響很小,模擬過(guò)程中忽略動(dòng)力學(xué)因素的影響,可作為準(zhǔn)靜態(tài)問(wèn)題進(jìn)行分析。由于材料呈對(duì)稱性,因此只需要取四分之一進(jìn)行分析,通過(guò)等步長(zhǎng)位移加載方式進(jìn)行加載。采用庫(kù)侖摩擦模型對(duì)壓制過(guò)程中的摩擦現(xiàn)象進(jìn)行模擬。

        1.3 計(jì)算冶金材料彈塑性

        冶金材料的壓制成型過(guò)程非常復(fù)雜,涉及運(yùn)動(dòng)、變形和摩擦等機(jī)械作用[6]。然而,由于冶金材料在壓制過(guò)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(wèn)題,曾采用成形分析方法,但問(wèn)題往往被簡(jiǎn)化,假設(shè)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(jì),可變形體是平面變形。然而,經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化,冶金材料彈塑性的計(jì)算方法是錯(cuò)誤的。因此,要解決這些復(fù)雜的非線性問(wèn)題,必須采用數(shù)值計(jì)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(lái)模擬金屬塑性過(guò)程的最佳方法。

        有限元法的基本思想是通過(guò)數(shù)學(xué)解釋將連續(xù)問(wèn)題離散為有限元。有限元是應(yīng)用于離散系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)方法。將連續(xù)體劃分為有限數(shù)量的塊,這些塊的屬性在標(biāo)準(zhǔn)離散系統(tǒng)中進(jìn)行了描述。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展,有限元方法的應(yīng)用已經(jīng)從一般的線性問(wèn)題擴(kuò)展到非線性和流體動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域,基于此,計(jì)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(shù),f代表檢測(cè)到的彈性數(shù)值,t代表變化時(shí)間。

        1.4 實(shí)現(xiàn)冶金材料疲勞損傷測(cè)試

        為了實(shí)現(xiàn)冶金材料的疲勞損傷測(cè)試,需要對(duì)成形工藝進(jìn)行驗(yàn)證。一方面說(shuō)明該模型的材料參數(shù)及其確定方法準(zhǔn)確,另一方面說(shuō)明Drucker-Prager Cap具有較高的精度。Drucker-Prager Cap計(jì)算的結(jié)果基本上選用了冶金材料的高密度區(qū)域。模擬的壓坯平均密度僅在冶金材料的低密度區(qū)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(jì)算中具有更高的精度。

        2 實(shí)驗(yàn)

        為了檢測(cè)本文設(shè)計(jì)的冶金材料疲勞損傷測(cè)試方法的性能,利用鋼平臺(tái)疲勞試樣檢測(cè)常規(guī)的疲勞測(cè)試方法和本文設(shè)計(jì)的疲勞測(cè)試方法的疲勞壽命,實(shí)驗(yàn)如下。

        2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

        選擇厚度均為10 mm的3塊冶金材料,編號(hào)為1、2、3其中1和2試件做對(duì)比試驗(yàn),3試件為標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)證,其疲勞試樣結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

        圖2 疲勞試樣結(jié)構(gòu)示意圖

        如圖2所示,設(shè)置正弦波頻率為15 Hz,單次疲勞時(shí)循環(huán)次數(shù)10萬(wàn)次,對(duì)有限幅值的激勵(lì)信號(hào)進(jìn)行濾波,并輸出到激勵(lì)探頭。信號(hào)通過(guò)待測(cè)樣品被接收探頭接收后,使用BNC三路連接器發(fā)射到接收通道分別接收。兩個(gè)通道通過(guò)一個(gè)10 MHz 高通濾波器和一個(gè)有源信號(hào)放大器接收信號(hào),搭建的檢測(cè)系統(tǒng)如圖3所示。

        圖3 檢測(cè)結(jié)構(gòu)示意圖

        如圖3所示,檢測(cè)系統(tǒng)具有兩個(gè)獨(dú)立的輸入通道,其探頭通過(guò)醫(yī)用超聲荊合劑荊合在冶金試件薄板上。

        2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

        試樣1代表本文設(shè)計(jì)的疲勞損傷測(cè)試方法繪制的疲勞壽命曲線,試樣2代表常規(guī)的疲勞損傷測(cè)試方法繪制的疲勞壽命曲線,試樣3代表標(biāo)準(zhǔn)疲勞壽命曲線,繪制結(jié)果如圖4所示。

        圖4 疲勞壽命曲線

        由圖4可知,本文設(shè)計(jì)的疲勞檢測(cè)方法檢測(cè)的疲勞壽命數(shù)值最貼近實(shí)際數(shù)值,因此檢測(cè)性能良好,檢測(cè)準(zhǔn)確性高。

        3 結(jié)語(yǔ)

        綜上所述,對(duì)冶金材料進(jìn)行疲勞損傷測(cè)試可以準(zhǔn)確地測(cè)出此時(shí)冶金材料的疲勞狀態(tài),對(duì)其性能分析有重要的影響,因此本文在常規(guī)疲勞檢測(cè)方法的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化,設(shè)計(jì)了新的冶金材料疲勞檢測(cè)方法,實(shí)驗(yàn)證明,該方法檢測(cè)到的疲勞壽命曲線貼近實(shí)際值,因此具有準(zhǔn)確性,有一定的應(yīng)用價(jià)值。

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