專利名稱：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
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(xiǎn)點(diǎn)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(chǔ)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(qiáng)度和比剛度高、阻尼減震性好、機(jī)加工性能優(yōu)良、零件尺寸穩(wěn)定、易回收等特點(diǎn)，在航空、航天、汽車等行業(yè)具有潛在的應(yīng)用價(jià)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(yùn)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(dòng)應(yīng)變的結(jié)構(gòu)中，一般來說，對應(yīng)于疲勞破壞時(shí)的最大應(yīng)力要低于材料的抗拉強(qiáng)度，甚至低于材料的屈服點(diǎn)。統(tǒng)計(jì)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(cái)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(yàn)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(yàn)需要經(jīng)過多個(gè)試件進(jìn)行上百萬周次的循環(huán)試驗(yàn)，其中升降法一種就需要13個(gè)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(yàn)循環(huán)次數(shù)更可達(dá)上千萬次。不僅耗費(fèi)大量的人力、物力，而且浪費(fèi)大量的時(shí)間，需要幾天甚至幾個(gè)月的時(shí)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IO7時(shí)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(dòng)態(tài)載荷的過程中會(huì)有熱量釋放的原理，在載荷大于疲勞極限疲勞強(qiáng)度時(shí)，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(huì)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(shí)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(yàn)，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(diǎn)、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(shí)際應(yīng)用的鎂合金構(gòu)件特點(diǎn)，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300mmX90mmX IOmm ;將試驗(yàn)中各種結(jié)構(gòu)試件進(jìn)行紅外疲勞試驗(yàn)得出的疲勞極限等結(jié)果，進(jìn)一步應(yīng)用到實(shí)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(yàn)機(jī)夾具(I)，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(shí)在其表面涂一層發(fā)射率大于O. 95的黑色亞光漆；疲勞試驗(yàn)控制系統(tǒng)(3),控制試驗(yàn)的應(yīng)力、加載頻率；疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)(4)對鎂合金母材和焊接接頭試件進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，試驗(yàn)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(qiáng)度及疲勞極限；紅外測溫系統(tǒng)(8)，在疲勞試驗(yàn)試驗(yàn)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(qiáng)度及疲勞極限，與常規(guī)疲勞試驗(yàn)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(xiǎn)點(diǎn)和疲勞強(qiáng)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I):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(yàn)并測溫，循環(huán)次數(shù)大于IO7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(yàn)疲勞極限值以上和疲勞極限值以下不同應(yīng)力時(shí)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I)和步驟2)得到的疲勞強(qiáng)度進(jìn)行對比，分析溫升值確定鎂合金疲勞強(qiáng)度的準(zhǔn)確性；步驟4):鎂合金構(gòu)件在制造完成后初次使用狀態(tài)下，利用紅外測溫儀進(jìn)行疲勞極限預(yù)測將鎂合金構(gòu)件表面涂抹一層發(fā)射率大于O. 95的黑色亞光漆；使鎂合金構(gòu)件受載，同時(shí)利用紅外測溫儀記錄構(gòu)件表面溫度變化，使鎂合金構(gòu)件表面溫度在紅外測溫儀中清晰成像顯示；當(dāng)溫度穩(wěn)定時(shí)停止測試，導(dǎo)出溫度曲線，分析溫度變化趨勢；基于鎂合金母材及焊接接頭試件的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，獲得鎂合金構(gòu)件對應(yīng)表面溫升值，并與鎂合金構(gòu)件實(shí)際測量溫度進(jìn)行對比，確定鎂合金構(gòu)件表面危險(xiǎn)點(diǎn)和疲勞強(qiáng)度。有益效果本發(fā)明與背景技術(shù)相比具有明顯的先進(jìn)性，是針對金屬材料在承受疲勞載荷作用后，裂紋形核時(shí)，產(chǎn)生的能量絕大部分會(huì)以熱耗散的形式釋放出去，材料表面溫度發(fā)生變化的特征，使用鎂合金及其焊接接頭做原料，采用紅外熱成像設(shè)備，對材料表面在疲勞載荷作用時(shí)產(chǎn)生的溫度變化進(jìn)行記錄并分析，從而確定材料或結(jié)構(gòu)的危險(xiǎn)點(diǎn)位置，并且在對不同載荷作用下對應(yīng)的溫度點(diǎn)進(jìn)行擬合分析，確定材料或構(gòu)件的疲勞極限。此方法工藝先進(jìn)合理，連續(xù)緊湊，可以用來對在役鎂合金結(jié)構(gòu)的危險(xiǎn)點(diǎn)和疲勞極限進(jìn)行估算。


圖1鎂合金及焊接接頭疲勞試件結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為疲勞試驗(yàn)紅外攝像測試過程圖。圖中所示為利用紅外熱成像儀對疲勞試件表面的溫度變化進(jìn)行測量。圖中標(biāo)記清單如下I疲勞卡具，2鎂合金疲勞試件，3疲勞試驗(yàn)控制裝置，4疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)，5綜合分析系統(tǒng)，6紅外控制裝置，7紅外熱像儀，8紅外控制系統(tǒng)。圖3為熱成像法測量疲勞極限確定圖。圖4為本發(fā)明的鎂合金板材在承受疲勞載荷作用下斷裂過程中表面溫度分布。圖5為本發(fā)明圖4所示P1、P2、P3三點(diǎn)在承受疲勞載荷作用下對應(yīng)溫度變化曲線。圖6為鎂合金試件試驗(yàn)過程中的應(yīng)力-溫升曲線圖。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合具體實(shí)施例，對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。圖1所示，模擬鎂合金構(gòu)件所設(shè)計(jì)疲勞試件結(jié)構(gòu)示意圖，其中1-1圖為母材疲勞試件形式，用母材試樣直接機(jī)械加工而成，1-2圖為對接接頭的試件形式(A為俯視圖，B為主視圖)，1-3圖為橫向十字接頭的試件形式(A為俯視圖，B為主視圖)，試樣先焊接然后機(jī)械加工成形，1-4圖為縱向非承載十字接頭(A為俯視圖，B為主視圖)，1-5圖為側(cè)面連接接頭的試件形式(A為俯視圖，B為主視圖，C為側(cè)視圖)，側(cè)面連接接頭和縱向非承載十字接頭先試樣機(jī)械加工后再焊接成形。圖2所示，系統(tǒng)包括疲勞試驗(yàn)機(jī)夾具1，用于夾持疲勞試件；疲勞試件2，即鎂合金板材，測試表面涂一層黑色亞光漆；疲勞試驗(yàn)控制系統(tǒng)3，包括控制機(jī)柜、控制電腦等，控制試驗(yàn)應(yīng)力、頻率等參數(shù)；疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)4，用于疲勞試驗(yàn)的一整套設(shè)備及試件，試驗(yàn)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(循環(huán)應(yīng)力S的最大值與循環(huán)次數(shù)N之間的雙對數(shù)線性擬合關(guān)系)，得出鎂合金疲勞強(qiáng)度及疲勞極限；紅外測溫系統(tǒng)8，包括紅外測溫儀7和紅外控制系統(tǒng)6。在試驗(yàn)過程中得到試樣表面溫度變化曲線，用于記錄鎂合金在疲勞過程中的溫度變化數(shù)據(jù)。紅外控制系統(tǒng)6，設(shè)置測溫范圍、測溫頻率、觀察并記錄溫度變化規(guī)律；紅外測溫儀7，測量試件表面溫度變化，根據(jù)設(shè)置的不同測溫頻率控制測溫精度；綜合分析系統(tǒng)5，應(yīng)用origin軟件將紅外熱成像法采集數(shù)據(jù)擬合直線得出的疲勞極限，與常規(guī)疲勞試驗(yàn)得出的疲勞極限進(jìn)行對比；(I)試件的焊接采用鎢極氬弧焊接方法焊接對接接頭、橫向十字接頭、側(cè)面連接接頭和縱向非承載十字接頭的試樣，氬氣的純度> 99. 7%，鎢電極采用鈰鎢(W+3% CeO2),鎂合金板材焊接工藝參數(shù)為表I鎂合金板材焊接工藝參數(shù)
權(quán)利要求
1.一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，其特征在于，包括:疲勞試驗(yàn)機(jī)夾具(I)，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(shí)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(yàn)控制系統(tǒng)(3)，控制試驗(yàn)應(yīng)力、頻率；疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)(4)對鎂合金母材和焊接接頭試件進(jìn)行疲勞試驗(yàn),試驗(yàn)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，得出循環(huán)次數(shù)為IO7時(shí)鎂合金疲勞極限；紅外測溫系統(tǒng)(8)，在疲勞試驗(yàn)過程中，紅外測溫系統(tǒng)⑶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極限，與常規(guī)疲勞試驗(yàn)得出的疲勞極限進(jìn)行對比，判斷其測量準(zhǔn)確性。
2.—種權(quán)利要求1所述系統(tǒng)的預(yù)測鎂合金構(gòu)件疲勞極限的方法，其特征在于，包括以下步驟: 步驟I):選取鎂合金母材及焊接接頭試件分別在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(yàn)并測溫，循環(huán)次數(shù)大于IO7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循環(huán)次數(shù)為IO7時(shí)的試驗(yàn)疲勞極限值以上和疲勞極限值以下不同應(yīng)力時(shí)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強(qiáng)度； 步驟3):將步驟I)和步驟2)得到的疲勞強(qiáng)度進(jìn)行對比，分析利用溫升值確定鎂合金疲勞強(qiáng)度的準(zhǔn)確性； 步驟4):鎂合金構(gòu)件在制造完成后初次使用狀態(tài)下，利用紅外測溫儀進(jìn)行循環(huán)次數(shù)為IO7時(shí)疲勞極限預(yù)測:將鎂合金構(gòu)件表面涂抹一層發(fā)射率大于0.95的黑色亞光漆；使鎂合金構(gòu)件受載，同時(shí)利用紅外測溫儀記錄構(gòu)件表面溫度變化，使鎂合金構(gòu)件表面溫度在紅外測溫儀中清晰成像顯示；當(dāng)溫度穩(wěn)定時(shí)停止測試，導(dǎo)出溫度曲線，分析鎂合金構(gòu)件溫度變化趨勢和表面溫升值，基于鎂合 金母材及焊接接頭試件的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，獲得鎂合金材料疲勞強(qiáng)度時(shí)對應(yīng)表面溫升值，并與鎂合金構(gòu)件實(shí)際測量溫度進(jìn)行對比，確定鎂合金構(gòu)件表面危險(xiǎn)點(diǎn)和疲勞極限。
全文摘要
本發(fā)明公開了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(yàn)機(jī)夾具(1)；疲勞試件(2)包括鎂合金母材和焊接接頭試件；疲勞試驗(yàn)控制系統(tǒng)(3)；疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)(4)對鎂合金母材和焊接接頭試件進(jìn)行疲勞試驗(yàn)得出循環(huán)次數(shù)為107下鎂合金疲勞極限；紅外測溫系統(tǒng)(8)，在疲勞試驗(yàn)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極限，與常規(guī)疲勞試驗(yàn)得出的疲勞極限進(jìn)行對比，判斷其測量準(zhǔn)確性?？梢杂脕韺υ谝酆附咏Y(jié)構(gòu)的危險(xiǎn)點(diǎn)和疲勞極限進(jìn)行估算。
文檔編號(hào)G01N3/32GK103076243SQ20121054935
公開日2013年5月1日 申請日期2012年12月7日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月7日
發(fā)明者王文先, 閆志峰, 張紅霞, 崔澤琴, 丁敏, 馬麗莉 申請人:太原理工大學(xué)