（凝聚态物理专业论文）电解加钛zl101a合金的疲劳可靠性研究.pdf

郑州大学硕七论文 摘要 电解加钛z l i o i a 合金的疲劳可靠性研究 摘要 在交变载荷作用下，金属零部件的疲劳断裂是广泛存在的一种失效形式，其突 发性可能造成灾难性后果。但由于影响材料疲劳强度的随机因素很多，分析交变载 荷作用下金属零部件的疲劳可靠性就成为工程设计中的一个关键课题，受到越来越 多的重视，需要依据可靠性理论，运用概率统计的方法进行分析和计算。 铸造铝合金z l l 0 1 a 中的合金元素钛一般是采用熔配高钛铝合金添加的，而电解 加钛z l i o i a 合金则是用电解低钛铝基合金替代工业纯铝和高钛铝合金为原料制备 的。电解低钛铝基合金是郑州大学材料物理实验室与电解铝厂合作研制的一种新型 材料，即不改变传统电解生产工艺条件，仍采用氧化铝为原料，直接向电解槽中添 加少量的二氧化钛，经电解得到的含钛量低于0 3 的铝钛合金。 z l l 0 1 a 合金具有良好的铸造性能、力学性能和加工性能，广泛应用于制造汽车 和摩托车轮毂等领域。行驶中的车辆受到交变载荷的作用，要保证应用电解加钛 z l i o i a 合金制造的零件安全可靠地正常工作，有必要系统全面地研究其疲劳可靠性。 为研究加钛和不同加钛方式对z l i o i a 合金疲劳可靠性的影响，采用相同的熔 炼、浇铸、热处理和机加工工艺，制备了不加钛的z l l 0 1 合金、电解加钛z l l 0 1 a 合 金( 记作z l i o i d ) 和熔配加钛z l l 0 1 a 合金( 记作z l l 0 1 r ) 三组试样，分别测试了 其疲劳裂纹扩展速率和门槛值等各项性能指标。 基于同组试样对该组合金力学性能的贡献权重应相等的观点，提出一种新的成 组试样试验数据处理方法。采用m o n t ec a r l o 方法模拟试验数据点，用模拟点代替 试验点进行最后的曲线拟合，得到该组合金在p a r i s 区疲劳裂纹扩展速率曲线 d a d n a k 的拟合参数和门槛值k 。h 等材料性能指标。 疲劳断裂过程一般可分为裂纹萌生，稳定扩展和快速扩展失稳断裂三个阶段。 门槛值k “反映了第一阶段材料抵抗裂纹萌生的能力，研究结果显示：三组合金的 门槛值没有太大差别，即对加钛和加钛方式不敏感。 z l i o i a 合金的主要疲劳寿命在第二阶段，即亚临界裂纹扩展阶段，p a r i s 区的 拟合参数反映了合金阻止裂纹扩展的能力，由此可间接计算其疲劳寿命。求出了三 i i 郑州大学硕士论文摘要 组合金在p a r i s 区不同置信度的出州一斌曲线，进一步给出不同可靠度的 p 一别柳一a k 曲线。 在p a r i s 区的裂纹扩展速率，电解加钛z l l 0 1 d 的最低，熔配加钛z l l 0 1 r 次之， 而不加钛的z l l 0 1 最高，原因是加钛能细化a ( a 1 ) 相，使硅颗粒平均直径变小且圆 形度提高，这是z l l 0 1 d 和z l l 0 1 r 合金抗疲劳裂纹扩展能力高于不加钛的z l l 0 1 合金，而电解加钛z l l 0 1 d 合金的抗疲劳裂纹扩展能力又稍高于熔配加钛的z l l 0 1 r 合金的主要原因。 建立了以疲劳裂纹扩展速率作为失效指标的可靠度模型，给出了三组合金在一 定失效指标下，对应于一定应力强度因子范围a k ，疲劳裂纹稳定扩展的可靠度即 p a k 曲线。随着应力强度因子范围a k 的逐渐增大，三组合金的疲劳裂纹稳定扩 展的可靠度都表现为下降，但两种加钛合金下降的比较慢，这是因为加钛细化了 a ( a 0 相并改善了硅颗粒形貌，使合金抵抗疲劳裂纹扩展能力增强。 关键词：z l l 0 1 a 合金：疲劳可靠性；疲劳裂纹扩展速率；蒙特卡洛方法 1 1 1 m a s t e rd e l p e e sd i s s e r t a t i o no f z z u a b s t r a c 吐 i n v e s t i g a t i o no ff a t i g u er e l i a b i l i t yo na l l o yz l l 0 1 a b ya d d i n gt i t a n i u mi ne l e c t r o l y s i s a b s t r a c t f a t i g u e f r a c t u r ei sab r o a df a i l u r em o d ef o rt h em e t a lp a r t su n d e ra l t e r n a t el o a d i n g a n dm a yr e s u l ti nt r a g e d i e sf o ri t ss u d d e nf a i l u r e t h ef a t i g u es t r e n g t ho fm a t e r i a l si s a f f e c t e db ym a n ys t o c h a s t i cf a c t o r s s oa n a l y z i n gt h ef a t i g u er e l i a b i l i t yo ft h em e t a l p a r t s u n d e ra l t e r n a t el o a d i n gb e c o m e sak e ys u b j e c ti nt h ea r e ao fe n g i n e e r i n gd e s i g na n di s b e c o m i n gm o r ea n dm o r ei m p o r t a n t a n a l y z i n gt h ef a t i g u er e l i a b i l i t yo ft h em e t a lp a r t s u n d e ra l t e r n a t el o a d i n gm u s ta c c o r dt h et h e o r yo fr e l i a b i l i 哆a n du s et h em e t h o do f p r o b a b i l i t ya n ds t a t i s t i c s t h ea l l o y i n ge l e m e n to ft i t a n i u mi nc a s t i n ga l l o yz l l 0 1 ai su s u a l l ya d d e db yt h e m e t h o do fm e l t i n gh i g h t i t a n i u ma l u m i n u ma l l o y , b u tt h e a l l o yz l l 0 1 ab ya d d i n g t i t a n i u mi ne l e c t r o l y s i s i sp r e p a r e dw i t l l e l e c t r o l y t i cl o w - t i t a n i u ma l u m i n u mb a s ea l l o y s u b s t i t u t i n gf o rc o m m e r c i a l l yp u r ea l u m i n u ma n dh i g h t i t a n i u ma l u m i n u ma l l o y e l e c t r o l y t i cl o w - t i t a n i u ma l u m i n u mb a s ea l l o yi san e wt y p eo f m a t e r i a ld e v e l o p e db yt h e k e yl a b o r a t o r yo fm a t e r i a lp h y s i e so fz h e n g z h o uu n i v e r s i t ya n de l e c t r o l y t i ca l u m i n u m f a c t o r y w i t h o u tc h a n g i n gt h et r a d i t i o n a lt e c h n i c a lc o n d i t i o n so fe l e c t r o l y t i cp r o d u c t i o n , s t i l lu s i n gt h ea l u m i n aa st h em a t e r i a l ，a r e rd i r e c t l ya d d i n gas m a l lq u a n t i t yo ft i 0 2i n t o e l e c t r o l y t i ct a n k st h e ne l e c 仃o l y z i n gc a na c q u i r et h ea l l o yo fa l u m i n u ma n dt i t a n i u m 、i t 量i t h ec o n t e n to f t i t a n i u ml o w e rt h a n0 3 a l l o yz l l 0 1 ai sb r o a d l yu s e dt op r o d u c et h ew h e e lh u b so fc a ra n dm o t o r c y c l ef o r i t se x c e l l e n tc a s t i n g ，m e c h a n i c a la n dp r o c e s s i n gp r o p e r t i e s t h er u n n i n gv e h i c l e sa r e u n d e ra l t e r n a t el o a d i n g i no r d e rt oe n s u r et h a tt h ep a r t sm a d ef r o m a l l o yz l l 0 1 ab y a d d i n gt i t a n i u mi ne l e c t r o l y s i s c a nw o r ks a f e l y , r e l i a b l ya n dn o r m a l l y , i ti sn e c e s s a r yt o i n v e s t i g a t et h ef a t i g u er e l i a b i l i t yo f a l l o yz l l 0 1 ab ya d d i n gt i t a n i u mi ne l e c t r o l y s i s s y s t e m a t i c a l l ya n dg e n e r a l l y i no r d e rt os t u d yt h ee f f e c t so fe l e m e n tt i t a n i u ma n dd i f f e r e n tt i t a n i u ma l l o y i n g m e t h o d so nt h ef a t i g u er e l i a b i l i t yo fa l l o yz l l 0 1 as y s t e m a t i c a l l y , t h r e ek i n d so fa l l o y s w e r ep r o d u c e du n d e rt h es a n l et e c h n o l o g i e so fm e l t i n g ，h e a tt r e a t m e n ta n dm a c h i n i n g o n ei st h en o r m a la l l o yz l l 0 1c o n t a i n i n gn ot i t a n i u m ；t h es e c o n di sp r o d u c e dw i t ht h e e l e c t r o l y t i cl o w - t i t a n i u ma l u m i n u mb a s ea l l o y ( r e f e r r e da sz l l 0 1 r ) ；t h et l l i r di sp r o d u c e d i v m a s t e rd e g r e e sd i s s e r t a t i o no f z z ua b s t r a c t w i t i lp u r ea l u m i n u ma n da 1 t im a s t e ra l l o y ( r e f e r r e da sz l l 0 1 r 1 t h ef a t i g u ec r a c k g r o w t hr a t e d a d n a n d t h r e s h o l d a k n o f t h e t h r e e k i n d s o f a l l o y s a r e t e s t e dr e s p e c t i v e l y i ti sc o n v i n c e dt h a te v e r ys p e c i m e no f t h es a l n eg r o u ps h o u l dc o n t r i b u t ee q u a l l yt oi t s m e c h a n i c a lp r o p e r t y an e wd a t ap r o c e s s i n gm e t h o df o rg r o u pt e s t i n gd a t ao fd i f f e r e n t s p e c i m e n si sp r o p o s e d t h et e s t i n gd a t aa r es i m u l a t e du s i n gm o n t ec a r l om e t h o d t h e t h r e s h o l da k ma n dp a r a m e t e r so ft h ef a t i g u ec r a c kg r o w t hr a t e 如| 繇一a kc u r v eo f t h i sg r o u po fa l l o yi np a r i sz o n ea f eo b t a i n e di nt h em e t h o do fu l t i m a t e l yf i t t i n gt h e s i m u l a t i n gd a t as u b s t i t u t i n gf o rt e s t i n gd a t a t h ep r o c e s so ff a t i g u e f r a c t u r eg e n e r a l l yc a nb ed i v i d e di n t ot h r e es u c c e s s i v ep h a s e s ： t h ei n i t i a t i o no ft h ec r a c k , t h es t e a d yp r o p a g a t i o no ft h ec r a c ka n dt h ef a s tg r o w t ho ft h e c r a c kl e a d i n gu pt of r a c t u r e t h r e s h o l da k mr e f l e c t st h ea b i l i t yo fc r a c ki n i t i a t i o n r e s i s t a n c eo f t h ea l l o yi nt h ef i r s tp h a s e t h er e s u l t so f t h et e s t ss h o wt h a tt h e t h r e s h o l d so f t h et h r e ek i n d so ft h ea l l o y sd o n td i f f e rf r o me a c ho t h e ro b v i o u s l y , t h a ti st os a y , t h e t h r e s h o l di sn o ts e n s i t i v et oa d d i n gt i t a n i u ma n dd i f f e r e n tt i t a n i u ma l l o y i n gm e t h o d s t h em o s tp a r to f t h ef a t i g u el i f eo f a l l o yz l l 0 1 ai sc o n s u m e db yt h es e c o n dp h a s e s ， n a m e l ys u b c r i t i c a lc r a c kg r o w t h t h ef i t t i n gp a r a m e t e r so fp a r i sz o n er e f l e c tt h ef a t i g u e c r a c kg r o w t hr e s i s t a n c eo ft h ea l l o ya n dt h ef a t i g u el i f ec a l lb ei n d i r e c t l yc a l c u l a t e d a c c o r d i n gt ot h ep a r a m e t e r s t h ed a d n - a k c u r v e sa r ep r e s e n t e di np a r i sz o n ew i t h d i f f e r e n tc o n f i d e n c el e v e l st h e nt h ee - d a d n - a kc u r v e sa r ep r e s e n t e dw i t hd i f f e r e n t r e l i a b i l i t i e s a l l o yz l l 0 1 dh a v et h el o w e s tf a t i g u ec r a c kg r o w t hr a t e a n dt h ef a t i g u ec r a c k g r o w t hr a t eo fz l l 0 1 ri sl o w e rt h a nz l l 0 1 si np a r i sz o n e i t sb e c a u s et h a ta l l o y z l l 0 1 a sa ( a 1 ) p h a s ea r er e f i n e db yt i t a n i u m t h ea v e r a g ed i a m e t e ro fe u t e c t i cs i l i c o n p a r t i c l e sd e c r e a s e sa n d t h er o u n d n e s si n c r e a s e sa tt h es a m et i m e a n dt h er e f i n i n ge f f e c t o f e l e c t r o l y t i ct i t a n i u ma l l o y i n gm e t h o di sb e t t e rt h a nt h a to f m e l t i n gm e t h o d t h a ti sw h y a d d i n gt i t a n i u mc a n i n c r e a s et h ef a t i g u ec r a c kg r o w t hr e s i s t a n c eo f t h ea l l o y ar e l i a b i l i t ym o l d ，u s i n gaf a t i g u ec r a c kg r o w t hm t c 鹊t h ef a i l u r ei n d e x ，i ss e tu p t h ep 一kc u r v e s o f z l l 0 1 z l l 0 1 d a n d z l l 0 1 r a r e p r e s e n t e d t h er e s u l t ss h o w t h a t w i t ht h ei n c r e a s i n go ft h es t r e s si n t e n s i t yf a c t o rr a n g ea k ，t h ef a t i g u ec r a c ks t a b l e p r o p a g a t i o nr e l i a b i l i t i e s o ft h et h r e ek i n d so fa l l o y sa l ld e c r e a s e ，b u tz l l 0 1 da n d z l l 0 1 ra r es l o w e rt h a nz l l 0 1 t h i si si na c c o r d a n e ew i t ht h er e s u l t s ：a d d i n gt i t a n i u m i n c r e a s e st h ef a t i g u ec r a c kg r o w t hr e s i s t a n c eo f a l l o yz l l 0 1 a k e y w o r d s ：z l l 0 1 aa l l o y ；f a t i g u er e l i a b i l i t y ；f a t i g u ec r a c kg r o w t hr a t e ；m o n t ec a r l o m e t h o d v 郑州大学硕士论文第一章绪论 1 1 疲劳可靠性研究 1 1 1 可靠性研究简史 第一章绪论 可靠性的经典定义：产品在规定条件下和规定时间内，完成规定功能的能力。 产品：在具体使用“产品”这一词时，其确切含义应加以说明。本课题主要研 究按照国家标准制备的三点弯曲试样。 规定条件：一般指的是使用条件，环境条件。本课题研究三点弯曲试样在正常试 验条件下的疲劳裂纹扩展性能。 规定时间；是可靠性区别于产品其他质量属性的重要特征，一般也可认为可靠 性是产品功能在时间上的稳定程度。对于本文来说主要是应力循环次数。 规定功能：是什么功能? 用什么指标来衡量? 什么叫失效? 对本文研究对象而 言，主要是裂纹达到临界长度或者裂纹扩展速率达到某值可认为失效。 能力：在规定的条件、规定的时间和规定的功能下，产品可能完成任务，也可 能完不成任务，也就是说它可能有这个能力，也可能不具有这个能力。我们称它为 随机事件，而随机事件可以用概率来定量地描述，因此，在可靠性研究中度量产品 能否完成规定功能的能力，就用了概率这一尺度。于是，产品在规定的条件下，规 定的时间内。完成规定功能的概率就叫做产品的可靠度，即可靠性的概率度量。 下面简要谈一下可靠性发展状况。 二十世纪4 0 5 0 年代，电子设备已渗透到军事及生产等各个领域，例如：二十 世纪4 0 年代美国飞机上平均有电子元件1 0 0 0 多个；5 0 年代b 一4 7 飞机平均有电子 元件2 万多个。对串联系统来说，假定单个元件的可靠性为9 9 5 ，如果用4 0 个元 件串联起来，则可靠性降至8 2 。假定我们要求某系统具有r = 9 5 的可靠性，而它是 由3 0 万个元件组成的串联系统，则要求每个元件的可靠性高达r = 9 9 。9 9 9 9 。1 9 5 7 年美国先锋号卫星就是由于一个2 美元的元件失效，而造成2 2 0 万美元的损失。因 此，美国便开始研究电子元件和系统的可靠性问题，如何保持它们的质量指标而不 失效这个问题就提到日程上来了 郑州大学硕士论文第一章绪论 二十世纪六十年代开始，可靠性技术逐渐向机械工程渗透。这时，由于空间设 备和宇航设备的发展，大型成套设备的研制以及关键零部件的研制等，迫切需要引 进可靠性分析技术。目前，可靠性在机械工程中的应用已经深入到结构设计、强度 分析、带裂纹零部件的强度和寿命分析( 已形成断裂力学的一个新分支概率断 裂力学) 、选材( 成分及热处理工艺的选择) 和失效分析领域中来了。 研究产品的可靠性主要有两种方法： ( 1 ) 经验的方法：一种定型的产品，无论在设计、加工、制造、试验和使用等 方面，都积累了一定的经验，把这些经验综合起来，便可使它成为判断和改进产品 可靠性的依据。一个工程师对于他设计的产品的安全系数的取值，就完全取决于他 的经验；同样，人们也可以根据某些产品的实际工作寿命，估计出该产品的平均寿 命。经验方法的优点是直观，实践性强；其缺点是缺乏理论根据，它回答不了“当 某项基本因素变化定数量后，产品可靠度将发生多大的变化? ”这一类定量问题。 ( 2 ) 模型方法；对产品的可靠度建立一个分析计算的模型。一方面把材料强度 看作随机变量，且它是一些影响强度的基本随机变量的函数。另一方面，把零件的 应力也看作一些基本随机变量的函数。然后，确定一种失效准则，建立强度、应力 和可靠度三者的联系( 即干涉理论) 。这就是模型方法的实体内容。它的优点是能定 量地判断产品的可靠度或失效概率。而且能定量地回答，当某一基本因素变化时， 产品可靠度的变化，其缺点是计算工作量大，且模型的好坏，对结果的影响很大i l j 。 在现代可靠性问题的研究中，往往把两种方法结合起来应用，取长补短，这样 更能奏效。 1 1 2 可靠性在疲劳研究中的应用 金属材料在循环载荷作用下发生的破坏，称为疲劳破坏。在破坏前先有疲劳裂 纹的形成及疲劳裂纹的扩展，整个过程称为疲劳过程，简称疲劳i z j 。 最初，在疲劳分析中大多采用“定值”方法，即将作用于构件上的工作应力和 构件所用材料的疲劳性能均视为确定的数值。按照此观点，其前提和结果往往都与 实际情况不符。因为实际构件所受的外部载荷不仅随工作状况不同而改变，而且还 受到偶然因素的影响，所以必须把疲劳载荷当作随机变量来处理。另一方面，疲劳 性能也由于材料组织的不均匀性、内部缺陷的随机分布和加工处理中的一些偶然因 2 郑媸大学硕士论文第一章结论 素影响而产生很大的分散性。在疲劳分析和设计时，只用其平均值代表材料性能必 然会导致大量构件在预定使用期间内失效。此外，构件的几何尺寸、应力集中、表 面加工状态、外界条件等均属随机变量。要考虑其随机性，必须采用“概率方法”， 即综合运用概率统计和力学分析方法解决疲劳分析和设计问题【3 1 。疲劳研究发展的 历史过程也见证了这一点。 工程技术人员对疲劳现象的研究和试验历史可追溯到1 9 世纪初，1 8 2 9 年，德国 采矿工程师w a j a l b e r t 做了铁链的重复荷载试验，提出了第一个疲劳研 究报告。1 8 5 4 年由b r a i t h w a i t e 在伦敦土木工程师学会上发表的论文中第一次用到“疲 劳( ( f a t i g u e ) ”一词。 在德国，1 8 5 2 年到1 8 7 0 年之间，铁路工程师a u g u s tw s h l e r 首次将统计工作应 用到疲劳试验上，提出了s n 图和疲劳极限的概念，把工作应力和疲劳极限联系起 来。为疲劳研究奠定了基础d 1 。 1 9 4 5 年m a m i n e r 在瑞典工程师a p a l m g r e n 于1 9 2 4 年提出的球轴承疲劳准 则的基础上发表了线性累积损伤准则，这个准则通常被称为p a l m g r e n 。m i n e r 准则。 1 9 4 9 年w 威布尔发表了著名的对疲劳试验数据进行概率统计的方法。1 9 5 7 年美国 人p a d s p c 提出在循环荷载作用下，裂纹尖端的应力强度因子范围是控制构件疲劳 裂纹扩展速率的基本参量，并于1 9 6 3 年提出了著名的表达裂纹扩展规律的p a d s 公 式，给疲劳研究提供了一个估算疲劳裂纹扩展寿命的新方法。 1 9 5 9 年j a 波普指出，疲劳试验的寿命数据是符合对数正态分布的。1 9 6 1 年e b 斯图伦等在机械设计中考虑了材料的疲劳极限的概率分步。1 9 6 4 1 9 6 9 年美国e b 豪根对两个正态分布函数的代数运算进行了分析，为应力强度干涉模型的可靠性分 析莫定了基础。从1 9 7 0 年开始，美国d 凯塞乔格罗完善了用应力强度干涉模型进 行疲劳可靠性设计的一套方法，对疲劳可靠性分析和设计做了开拓性的工作。1 9 8 5 年在日本召开的“第四届国际结构安全性和可靠性会议”( i c o s s a r 8 5 ) 上曾发表论 文2 5 0 多篇，其中“疲劳可靠性”专题论文约3 0 篇。其发展趋势在于探讨建立更有 效的概率模型，以期形成完整的可靠性理论，并用于解决实际问题【s 】。 1 2 疲劳可靠性研究中的主要问题 疲劳可靠性是融概率论、数理统计学、疲劳学、断裂力学、材料科学等于一体 3 郑州大学预l 论文第一章绪论 的交叉学科，旨在从经济性和维修性要求出发，在规定工作条件下、在完成规定的 功能下、在规定使用寿命期间，使结构因疲劳强度不足而失效的可能性( 破坏概率) 减至最低程度( 6 j 。 1 2 1 疲劳可靠性研究的主要内容 疲劳可靠性的研究内容主要有三个方面：一是计算在交变载荷作用下，在一定 时期内构件发生疲劳失效的概率或不因疲劳而失效的概率，即疲劳可靠度；二是精 确地估算构件在给定可靠度下的疲劳寿命，即可靠寿命，保证在服役期内构件不会 发生疲劳失效；三是采用经济而有效的技术和管理措施以延长疲劳寿命，简称延寿， 从而提高产品质量，增强产品在国内外市场上的竞争力【”。疲劳可靠性分析时要考 虑各种与疲劳有关的随机因素的影响，因此，疲劳可靠性分析无论是应力的随机性 分析还是强度的随机性分析都比静强度分析和常规的疲劳分析方法复杂得多，特别 是疲劳可靠性分析还与疲劳寿命及其概率分布有关，为了取得足够的数据需耗费大 量人力物力。疲劳可靠性研究一般可分为三个层次，一是研究材料本身的疲劳可靠 性；二是研究单个构件的疲劳可靠性：三是研究由多个构件组成的复杂结构的疲劳 可靠性。研究疲劳可靠性的主要目的就是确定可靠度，“构件不发生疲劳破坏的概率” 定义为构件的可靠度，而对于复杂结构则要在评估每个构件可靠度的基础上，根据 各构件之间的相互联系情况，建立结构的可靠性分析模型，求解整个结构的可靠度。 本文所要研究的属于更基础的层次即材料的疲劳可靠性，主要对标准三点弯曲试样， 以疲劳裂纹扩展速率试验为基础，结合本文提出的新的同组试样试验数据处理方法， 进行较为全面的分析，来完成材料的疲劳可靠性分析。材料的疲劳可靠性对于工程 应用具有重要参考价值，如将材料的疲劳可靠性与结构疲劳可靠性相结合同时考虑 工作条件，就可以解决工程应用问题。 1 2 2 损伤容限法 一个工程构件的疲劳损伤包含几个不同的阶段，缺陷可以在原先没有损伤的部 位形核，然后以稳定的方式扩展，直到发生突然断裂。力学因素、组织结构因素和 环境因素在很宽的范围内影响微观缺陷的形核条件和主导疲劳裂纹的扩展速率。疲 劳的不同设计原理之间的主要区别在于如何定量处理裂纹萌生阶段和裂纹扩展阶段 4 郑州人学硕j j 论文第章绪论 柳。 名义应力疲劳设计法是以名义应力为基本设计参数、以s n 曲线为主要设计依 据的疲劳设计方法。这种疲劳设计方法历史最悠久，也称为常规疲劳设计法。根据 使用寿命的不同，它又可分为无限寿命设计法和有限寿命设计法。无限寿命设计法 要求构件在无限长的使用期限内不破坏，主要的设计依据是疲劳极限。有限寿命设 计法要求构件在规定的使用期限内不破坏，其主要设计依据是s - n 曲线的斜线部 分。局部应力应变分析法是在低周疲劳的基础上发展起来的一种疲劳寿命估算方法， 其基本设计参数为应力集中处的局部应变和局部应力嘲。 由此可见，经典的疲劳设计方法使用循环应力范围或应变范围来描述导致疲劳 破坏的总寿命。在这些方法中，通过控制应力幅或应变幅来获得初始无裂纹( 和具 有名义光滑表面) 的实验室试样产生疲劳破坏所需的应力循环数或应变循环数。这 样得到的疲劳寿命包括萌生主裂纹的疲劳循环数( 可能高达疲劳总寿命的9 0 ) 和 使这一主裂纹扩展到发生突然破坏的疲劳循环数。 与经典方法不同，损伤容限设计法是在断裂力学基础上发展起来的一种疲劳设 计方法，以“损伤容限”原理作为设计基础。其基本前提是认为，损伤为一切工程 构件所固有，认为材料内具有初始缺陷或裂纹是不可避免也不可怕的，只要正确估 算其剩余寿命，采取适当的断裂控制措施，确保零件在使用期限内能够安全使用， 则这样的缺陷是允许的。疲劳寿命则定义为主裂纹从这一原始尺寸扩展到某一l 临界 尺寸所需的疲劳循环数或事件。常规疲劳设计法侧重于总寿命，局部应力应变法侧 重的是裂纹形成寿命，而损伤容限法侧重于裂纹扩展寿命。 1 2 3 疲劳可靠性分析 在常规的“安全寿命”设计中，是以光滑试件测得的s - n 曲线为依据进行疲劳 设计的。对某些重要的承力构件，即使根据疲劳强度极限给予安全系数进行设计， 在使用过程中有时仍会过早地发生意外破坏。这是由于没有考虑构件内部存在着宏 观裂纹的极大可能性，没有考虑宏观裂纹在交变载荷的作用下会发生亚临界扩展。 构件在加工制造和使用过程中，会因锻造缺陷、焊接裂纹、表面划痕和腐蚀坑等而 造成表面或内部裂纹。承认构件存在裂纹这一客观事实，考虑裂纹在交变载荷作用 下的扩展特性，是疲劳设计的发展主要途径。疲劳条件下的亚临界裂纹扩展速率是 郑州大学硕士论文第一章绪论 决定构件裂纹扩展寿命的特性指标之在实际工程中，裂纹的存在具有很大的广 泛性，所以研究疲劳裂纹的扩展问题显得格外重要。 有较好韧性的z l l 0 1 a 合金，在疲劳裂纹扩展的第二阶段即亚临界裂纹扩展阶 段消耗了大部分疲劳寿命。为了精确地估算裂纹扩展寿命，需要研究疲劳裂纹扩展 的一般规律和影响因素，以及裂纹扩展速率表达式。用裂纹长度a 在每个循环中的 增量d , , d n 表示具有初始裂纹的疲劳试样在循环载荷反复作用下的裂纹扩展速率。 当加在构件上面的循环载荷较小时，可把裂纹扩展的前缘塑性区看作是对弹性应力 场的微扰，用线弹性断裂力学理论对疲劳裂纹扩展做合理的描述。一般用应力强度 因子范围 a k = x 一一k 。 ( 卜1 ) 对疲劳裂纹扩展速率做线弹性断裂力学描述“o 】。 疲劳裂纹扩展速率是工程构件损伤容限分析的重要依据，由于材料的内在分散 性、试验载荷、试件几何尺寸，环境的小差异及测量误差等都会引起疲劳裂纹扩展 的分散性，因此。对疲劳裂纹扩展速率进行统计分析。给出p d 投d s a k ( 可靠 度一疲劳裂纹扩展速率一应力强度因子范围) 曲线以及p a k ( 裂纹稳定扩展可靠 度一应力强度因子范围) 曲线，是计算在交变载荷作用下，在一定时期内构件发生 疲劳失效的概率或不因疲劳而失效的概率( 即疲劳可靠度) 的重要环节。本文中我 们主要是利用损伤容限原理，从概率统计角度，结合疲劳裂纹扩展速率试验，讨论 z l l 0 1 a 合金的疲劳可靠性。 1 3 电解加钛z l l 0 1 a 合金研究现状 z l l 0 1 a 合金属a 1 s i 系多元合金，具有良好的铸造性能、力学性能和加工性能， 广泛应用于汽车和摩托车轮毂的生产等领域。车轮是汽车行驶系统中的主要部件， 为保证足够的安全可靠性，轮毂应耐疲劳、耐冲击，具有较高的疲劳强度和断裂韧性。 z l l 0 1 a 合金力学性能的大小主要取决于显微组织中口一a l 、共晶硅、金属化合物及 气孔的形态、大小与分布f l i l 。当铝合金中加入少量t i 时，由于钛可以与铝形成与a 相具有良好结构匹配性的a 1 3 n 粒子，并且有强烈的成分过冷作用，能细化晶粒，提高 其强度、韧性、耐磨性、疲劳性能及热稳定性，啊在铝合金中的强韧化作用愈来愈 受到人们的重视【位- 2 0 l 。 6 郑州人学硕上论文第一章绪论 所谓的电解加钛z l l 0 1 合金，就是其中的钛元素是以熔配电解低钛铝基合金的 方式加入的。电解低钛铝基合金是郑州大学材料物理实验室提出在传统的原纯铝生 产工艺电解槽中掺加少量的钛氧化物电解生产低钛铝基合金。具体做法是：在电解 生产原纯铝的电解槽中，向氧化铝中掺加少量的t i 0 2 ，电解生产含钛量为o 1 o ，3 w t 的低钛铝基合金。用这种新型工艺生产的合金，称之为电解低钛铝基合金。 由于掺加的钛氧化物非常少，对电解槽的工作状态以及电流效率影响不大，并 且微量的钛在电流磁场的作用不会在电解液中大量沉淀而造成t i a b 固相的析出。通 过电解加钛不仅可以更加有效地细化晶粒，并且其抗细化衰退的能力比熔配加钛合 金要强许多【2 j l 。从理论上和工业试验方面，试验室对在工业上推广生产这种合金的 可行性做了大量的工作，证实这种工艺在工业上大规模推广是可行的 2 2 】。实验室金 属材料与金属物理研究组已有的工作表明，电解低钛铝基合金不改变纯铝的电解生 产工艺和生产效率，与传统的熔配加钛方式相比，具有细化晶粒效果更好、抗衰退 能力更强等优点。 研究人员对电解加钛z l l 0 1 a 合金的拉伸、磨损、热稳定性等作过较为全面的 研究，而对z l t 0 1 a 合金的疲劳性能研究相对较少，郑州大学材料物理实验室的研 究人员采用金属轴向疲劳实验方法研究了电解加钛z l l 0 1 a 合金与熔配加钛 z l l 0 1 a 合金的低周疲劳性能的影响，得出疲劳寿命仅对钛含量敏感、钛含量为 o 1 0 时合金的低周疲劳寿命要优于钛含量为o 1 4 的合金、加钛方式对疲劳寿命的 影响很小，如果钛含量相近，则两种加钛方式合金的低周疲劳寿命差别不大【2 3 i 。目 前还没有从疲劳可靠性角度对电解加钛z l l 0 1 a 合金的文献报道。疲劳裂纹扩展速 率d a d n 是衡量材料性能和选择材料必不可少的基本参数，本文主要在疲劳裂纹扩 展速率试验的基础上，采用概率统计的方法研究加钛与不同加钛方式对z l l 0 1 a 合 金疲劳可靠性的影响，对电解加钛z l l 0 1 a 合金的疲劳可靠性做出评估。由于疲劳 裂纹扩展试验数据的分散性，现有的数据处理方法并不完全令人满意，特别是成组 试样的对比试验数据分析，需要一个合理的统计方法来合并不同试样的数据。本课 题的研究将探讨建立这样一个新的处理方法。 1 4 课题研究的背景和意义 1 疲劳断裂是材料最危险的失效方式之一，疲劳裂纹扩展速率c a a n 是衡量材 7 郑州大学硕七论文第一章绪论 料性能和选择材料必不可少的基本参数。车轮是汽车行驶系统中的主要部件，为保 证足够的安全可靠性，轮毂应耐疲劳、耐冲击，具有较高的疲劳强度和断裂韧性，因 此有必要对轮毅材料z l l 0 1 a 合金疲劳可靠性做出评估，探讨提高z l l 0 1 a 合金疲 劳可靠性的途径。 2 电解低钛铝基合金是郑州大学材料物理教育部重点实验室提出的一种新型 铝基合金。为了在工业上推广应用这种合金，实验室已做了大量工作。但有关电解 加钛对z l l 0 1 a 合金的疲劳可靠性的影响问题需要进一步研究，因此本课题的研究对 电解低钛铝基合金的推广应用有一定的现实意义。 3 基于同组合金各试样对该合金的别柳一足曲线贡献应相等的原则，本课题 提出了成组试验数据蒙特卡洛模拟的新方法，对单根试样模拟产生同样多的数据点， 用来拟合出该组合金p a d s 公式的单一组参数c 和m ，以便于不同组合金试验结 果的比较。这有利于提高拟合精度从而得到更加科学的结论。 1 5 研究内容与技术路线 1 5 1 研究内容 ( 1 ) 按国家标准制备不含钛的z l l 0 1 合金、熔配加钛的z l l 0 1 a 合金和用电解 低钛铝基合金熔配的z l l 0 1 a 合金。对它们的成分和微观组织结构做定量分析和比 较，考察其中的n 及其添加方式对微观组织的可能影响，对面的细化机理做初步 的分析。 ( 2 ) 基于疲劳裂纹扩展速率的统计分布，应用蒙特卡洛模拟方法，提出一个新 的处理同组合金疲劳裂纹扩展速率试验数据的方法。 ( 3 ) 全面测试和对比研究三种试验合金的疲劳裂纹扩展性能，画出了三组合金 的p d a d n a k ( 可靠度疲劳裂纹扩展速率应力强度因子范围) 曲线，给出三组 合金带有可靠度的p a r i s 公式。 。 ( 4 ) 建立一个与疲劳裂纹扩展速率有关的疲劳可靠度模型，得出三组合金的 p a k ( 裂纹稳定扩展可靠度应力强度因子范围) 曲线，对电解加钛z l l 0 1 a 合金 的疲劳可靠性作出准确的评估，为电解低钛z l l 0 1 a 合金的进一步研究和推广使用 提供试验和理论依据。 8 郑州大学硕士论文第一章绪论 1 5 2 技术路线 技术路线主要有配料、熔炼、浇铸、热处理、机加工、拉伸与疲劳裂纹扩展性能 测试、数据处理对比分析、微观分析等几部分组成，具体路线如图1 1 所示。 图课题的技术路线 f 培i 1t e c h n o - s c h e m eo f p r o j e c t 9 郑州大学硕士论文第二章基本方法与原理 第二章基本方法与原理 疲劳试验结果具有分散性，即使名义上完全相同的两组试件，在同一台试验机、 同一加载条件下进行试验，也会发现这两组数据在平面坐标系上不是严格的在一条 曲线上，而是形成一个分散带。本文主要利用