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类型《铝合金型材挤压焊缝断口检验方法》.doc

  • 上传人:涵涵文库
  • 文档编号:5305919
  • 上传时间:2019-02-19
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    《铝合金型材挤压焊缝断口检验方法》.doc
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    1、铝合金挤压型材轴向力控制疲劳试验方法(送审稿编制说明)主编单位:辽宁忠旺集团有限公司2018.06.281一、工作简况1 立项目的承受动载荷的工程轻量化结构特别是交通运输轻量化结构设计和制造要求铝合金挤压型材具有规定的材料疲劳性能。近年来,国内外铝合金挤压型材作为轻量化结构材料在工程结构特别是交通运输制造业得到日益广泛的应用。(1)铝合金型材在航空航天方面的应用航空技术的进步与航空材料科学的发展紧密地联系在一起,相互制约,相互促进。铝合金在航空航天中的应用开发可分为几个阶段:50 年代主要目的是减重和提高合金比刚度、比强度;6070 年代主要目的是提高合金耐久性和损伤容限,开发出 7xxx 系

    2、合金 T73 和 T76 热处理制度、7050 合金和高纯合金;80 年代由于燃油价格上涨而要求进一步减轻结构重量;90 年代至今,铝合金的发展目标是进一步减重,并进一步提高合金的耐久性和损伤容限。近几十年来,发展高强高韧耐蚀铝合金新材料,以满足航空和航天的需要,主要包括出 2xxx 系列和 7xxx 系列熔铸铝合金,以及在其基础上发展起来的粉末冶金铝合金、SF(Spray Forming)喷射成型铝合金、铝基复合材料、超塑性铝合金等。在高强高韧铝合金的发展中,目标集中于追求材料的强度和解决由此而带来的如何提高其抗应力腐蚀性能、断裂韧性和疲劳强度等问题。由此开发出了一系列新合金和新材料,使铝合

    3、金及其加工工艺达到了一个新水平。在航空运输日益发展的今天,人们对飞行已经是非常的熟悉,可以说是多种出行方式中的一种。铝材在航空工业领域一直是关键性的结构材料,从资料上来看,目前世界上主要的民机,铝材用量都在 70%以上,所以新型飞机的研发将更需要优质的铝材。我国“长征” 系列运载火箭和“神州”系列飞船推进舱的燃料舱、载人舱、轨道舱以及天宫二号空间实验室的资源舱和实验舱都需要大量的铝材料。高强的铝材料有非常好的性能指标,其强度、塑性、冲击韧性、疲劳性能和可焊性等,各方面都很好。现如今,航空航天已展现出更加广阔的发展前景,高水平或超高水平的航空航天活动更加频繁,其作用将远远超出科学技术领域本身,对

    4、政治、经济、军事以至人类社会生活都会产生更广泛和更深远的影响。应该指出,航空航天事业所取得的巨大成就,与航空航天材料技术的发展和突破是分不开的。材料是现代高新技术和产业的基础与先导,很大程度上是高新技术取得突破的前提条件。根据中国航空工业集团公司预测,到 2025 年国内航空运输飞机拥有量将达到 3900 架,其中大型客机将达 2000 架,这将使我国成为仅次于美国的全球第二大航空市场。随着我国航空器制造进入高速发展时代,航空铝材市场需求将迎来大幅扩容。目前我国航空公司的飞机生产零件的材料多数依靠国外进口,很大程度上是对本地铝材料质量的不信任,所以提高铝材料的质量也将是今年铝产业的一大目标,继

    5、而实现铝材全面国产化。在我国,大飞机的制造需求,正在强劲拉动铝合金材料尤其是航空铝合金材料需求。C919 大型客机已经获得国内外 20 多家航空公司 500 多架的订单,ARJ21-700 也有 200 多架订单。根据计划,到 2018 年,ARJ21 支线客机、C919 大飞机所用 30%以上的铝合金材料将采用国产铝材。而中国大飞机对铝合金材料的需求增加了中国航空铝合金研发和规模化产业链的发展。随着科学技术的进步,航空航天用铝型材正发展为大型化、整体化、薄壁扁宽化、尺寸高精化、形状复杂化。航空航天用铝型材在现代飞机结构件中应用广泛,根据飞机不同的使用条件和部位,开发出具有不同特性的铝合金型材

    6、,如高强铝合金、耐热铝合金、耐蚀铝合金等应用在飞机的不同结构中,如图 1 所示。高强铝合金主要用于飞机机身部件、发动机舱、座椅、操纵系统等。耐热铝合金零件主要用于靠近电动机的机舱、空气交换系统等。耐蚀铝合金具有足够高的性能指标,其强度、塑性、冲击韧性、疲劳性能和可焊性都很好,更主要的是其具有耐蚀性,这样就可用于水上飞机。铝合金材料性能的不断提高同样要求铝合金型材的检验检测手段的进步,需要制定更多的标准来执行,确保生产的航空航天用铝合金产品质量。2图 1 飞机用铝合金结构示意图(2)铝合金型材在轨道交通方面的应用为适应轨道交通的跨越式发展,机车车辆的安全性、舒适性及环境友好性和运行速度必须满足更

    7、高的要求。特别是高速列车对轴重要求比常规列车更严格,而且其本身还必须满足高要求、承担大功率,因此要加装常规列车没有的一些设备(例如动车的流线型头锥、外风挡、门窗的气密装置、车辆的设备舱、电气自动控制系统等) ,这样又会增加列车的质量。因此,轻量化是高速列车的关键,也是现代轨道交通的必由之路。近年来,随着我国经济的发展,城市及城市间的轨道交通也进入了高速发展时期,也带来了对轨道交通车辆需求的猛增。但同时能源紧张、环境恶化等问题的存在也对轨道交通车辆的发展提出了更高的要求。因此,车体轻量化对减少原材料消耗、降低驱动能耗、节约列车运行费用、节省牵引动力、减轻车辆对线路的冲击、提高列车启动加速度和制动

    8、减速度、降低制动系统的负担有着重大意义。铝作为一种轻质金属在轨道交通中扮演着重要角色。铝合金型材质量轻,可以大大减轻车辆的自身重量。铝合金具有优良的耐火和耐电弧性。虽然铝的熔点(660)大大低于钢的熔点(1530) ,但车体的耐火耐电弧特性不仅和材料的熔点相关,还与材料的导热性相关。铝合金材料与钢铁相比具有优良的导热性,其散热性比钢要好。铝合金表面易形成一层致密的氧化膜,在大气中具有很好的抗氧化能力。因此,铝合金比钢质车体具有更好的耐腐蚀性能,特别是在车体不易涂覆的部分,如箱形结构件及其一些内部梁柱等,同时铝合金表面可以化学着色、上漆、喷涂,通过这些方法大大提高了铝合金构件的耐蚀性,可使车体美

    9、观,给人舒适的感觉。铝合金的特点使得其在轨道交通领域的应用非常广泛。平均每辆动车组需使用铝合金 9 吨,每辆地铁、轻轨、市域快轨需使用铝合金 6.5 吨,每辆有轨电车需使用铝合金 4.5 吨。预计“十三五”期间,中国轨道交通建设共需使用高端铝型材 50.4 万吨。并且随着轨道交通领域的技术积累,车身轻量化用铝是在未来国内铝型材市场潜力巨大。铝合金车体如图 2 所示,实现了轨道车辆的轻量、高速、降低能耗的目标。随着铝合金在轨道交通方面的广泛应用,对铝合金的性能要求越来越高,为保证生产优质的全铝轨道车辆车身,对铝合金型材的检测越来越严格,所采用的检测手段越来越先进,这就需要我们制定一系列的标准来促

    10、进工业的进步。3图 2 全铝高铁车厢(3)铝合金型材在汽车方面的应用为了应对迫切的全球气候变暖和能源危机,节能减排已经成为全球汽车企业的集体课题。轻量化已经成为解决能源和气候危机的短期可靠的途径。汽车轻量化的发展主要有以下两个方向:一是基于改善汽车燃油效率的轻量化。二是基于提升性能及安全性的轻量化,高性能车的普及带来的车体相关部件的铝合金化(车身板,框架,悬挂件等) 。由此可以看出铝合金材料在汽车上的应用已成为汽车轻量化发展的一个极为重要的部分。汽车用铝合金型材应用有:保险杠防撞梁、吸能盒、车门防撞梁、仪表盘支架、前围、车架主梁、散热器及其支架、油管、滑动轨元件、热交换器的橡胶管接头等截面一致

    11、且形状复杂的构件。现在汽车防撞梁一般使用钢质板件、钢质滚压件以及铝合金挤压型材,由于铝合金吸能效果好,广泛应用于合资品牌车型的保险杠防撞梁总成,国内自主品牌车型局限于成本及其他原因,使用较少。根据研究表明:使用铝质防撞梁后较原钢质防撞梁质量减轻了 25%,具有较高的抗弯曲强度。在低速碰撞试验条件下,铝合金前防撞梁较钢质件系统吸能效果提高 45%。图 3 为保险杠防撞梁总成。图 3 铝合金防撞梁使用铝型材较多的车身结构是,组合车架式结构,如图 4 所示。大量使用铝合金的汽车,平均每辆汽车可降低质量 300kg(从 1400kg 降低到 1100kg) ,寿命期内排放量可降低 20%。此外,轻量化

    12、还将在一定程度上提高车辆操控稳定性和碰撞安全性。4图 4 铝合金车身对于电动车而言,其轻量化工作更为迫切。因为目前电动汽车的动力电池的单位比能量与传统汽车使用液体燃料的单位比能量差异较大,电动汽车的动力系统(包括电池)的重量往往占整车重量 30-40%,同时突破电池性能瓶颈是世界难题,因此不少业内人士认为,在高性能电池技术没有重大突破前,新能源汽车轻量化是提高续航能力的有效途径。每减重一定质量,续航能力得到不同程度的提高。新能源汽车用铝材今后的发展将集中在两方面。一是新工艺,改善现有加工技术,不断改进熔铸工艺及热处理工艺,进一步完善铝型材、铝板材的加工、成形、链接工艺,提高车用铝材的安全可靠性

    13、和实用性。二是新品种,目前已开发出了快速凝固铝合金、粉末冶金铝合金、超塑性铝合金、纤维增强型铝合金、泡沫铝材等,另外高强度高韧性铸造铝合金、铝基复合材料等也在研究之中。因此改进现在有铝合金的成分和生产工艺,提高其各项性能与研发新的铝合金是今后的主要研究方向。在航空航天、轨道交通、汽车这三方面应用的铝合金挤压型材以及其他承受动态载荷的轻量化结构和部件所使用的铝合金挤压型材材料疲劳性能均有标准要求,材料疲劳性能是工程轻量化结构和部件的可靠性耐久性技术指标之一。 2 与现行标准的比较铝合金挤压型材疲劳性能测试迫切需要制定国家标准铝合金挤压型材疲劳试验方法 。以轨道车辆结构铝合金挤压型材为例,中国长春

    14、客车、大连机车、唐山客车、青岛四方机车、南京浦镇和株州电力机车等,以及法国 Alstom 等,对高铁、动车、轻轨和地铁车辆结构用铝型材均有材料疲劳性能指标要求。GB/T 26494轨道列车车辆结构用铝合金挤压型材以及国外同类标准均有关于疲劳性能的规定。在铝型材制造商和用户各自产品研发、设计、制造、测试和失效分析等过程中,需要进行大量的疲劳试验工作,涉及铝合金 Al-Cu 系、Al-Mg-Si 系和 Al-Zn 系合金十余个牌号,铝合金型材数百个断面制品。国家标准 GB/T3075-2008(ISO1099:2006,MOD) 金属材料疲劳试验轴向力控制方法修改采用 ISO 1099:2006金

    15、属材料疲劳试验轴向力控制方法 (英文版) ,并根据 ISO1099:2006(E)起草,主要技术内容与之相同,标准框架有较大修改。关于 GB/T3075-2008(ISO1099:2006,MOD)除了存在某些文本编译语言体系差异性、技术差异性和可操作性差异性以外,主要问题是标准内容缺少条件疲劳极限或疲劳强度、疲劳寿命和疲劳性能曲线的测定,不能满足铝合金挤压型材疲劳试验的基本要求。编制国家标准铝合金挤压型材轴向力控制疲劳试验方法立项目的是使铝型材疲劳试验统一试验标准,提供试验依据,保证试验质量,使铝型材疲劳性能表征和试验结果具有准确性、规范性、可比性、重复性和再现性,以适应产品研发、设计、制造

    16、、测试和失效分析等对铝合金挤压型材疲劳性能试验的需求。3 任务来源为 提 升 我 国 铝 及 铝 合 金 挤 压 制 品 的 检 验 水 平 , 满 足 国 内 外 市 场 的 需 要 , 国 家 标 准 化 管 理 委 员 会以 国 标 委 综 合 2017128 号 及 全 国 有 色 金 属 标 准 化 技 术 委 员 会 以 有 色 标 委 会 20182 号 文 件 下 达 了 铝 合 金 挤 压 型 材 轴 向 力 控 制 疲 劳 试 验 方 法 国 家 标 准 的 起 草 任 务 , 起 草 计 划 项 目 代 号 为 :520173781-T-610, 计 划 完 成 年 限

    17、为 2018 年 。4 标准编制单位简况4.1 主编单位简介辽宁忠旺集团有限公司是我国主要的工业铝型材研发制造商,是我国铝及铝合金挤压产品的主要加工企业之一。主要产品有轨道车辆、汽车、船舶、航空、机械装备、电力工程等各类工业型材和深加工产品,工业型材年产量70万吨左右。研发中心和技术中心为国家级企业技术中心,检测中心为国家CNAS认可实验室。疲劳试验室具有从事疲劳试验研究多年的专业技术人员,试验设备有:日本岛津100kN电液伺服疲劳试验机和德国 Zweick 100kN电磁共振式高频疲劳试验机,以及断口分析日本岛津SS-550扫描电镜。自2008年开展铝型材材料疲劳试验及疲劳试验技术研究,同时

    18、开展铝型材工程结构材料疲劳断裂失效分析与可靠性技术研究,2009年制定和实施企业检测中心标准铝型材轴向力控制疲劳试验方法,用于国内外用户产品检验和试验,测定6005A、6082、6N01和7N01等铝型材及焊接件的疲劳性能,积累了一定的试验数据和试验经验,这些成为标准起草单位的技术基础。4.2成员单位简介5 主要工作过程和工作内容5.1 任务落实会2015年6月17-18日,在辽宁省辽阳市召开了标准讨论会,成立了标准编制组,成员主要包括辽宁忠旺集团有限公司、北京有色金属研究院、中航工业北京航空材料研究院、广东省工业分析检测中心、中航工业哈尔滨飞机工业集团有限责任公司、中航工业沈阳飞机工业(集团

    19、) 有限公司、西南铝业(集团)有限责任公司、东北轻合金有限公司、中车唐山机车车辆有限公司、中车株洲电力机车有限公司等单位,对国内铝合金材料的轴向力控制疲劳试验的设备、试样、方法、数据处理等方面进行了讨论,并确定了标准草案的主体内容。5.2 第二次工作会议2016年4月6-8日,在苏州召开了标准讨论会,会议制定了标准试验方案,落实了编制组各成员单位的试验任务,具体如表1所示。表1 试验任务分配情况试验目的 任务分配 完成单位试样制备 辽宁忠旺集团有限公司疲劳试验北京有色金属研究院广州有色金属研究院西南铝业集团有限责任公司东北轻合金有限责任公司广东高登铝业有限公司山东南山铝业有限公司山东兖矿轻合金

    20、有限公司采用升降法和成组法测定试样的中值疲劳强度和S-N曲线,然后对多个单位的试验结果进行数理统计和精密度分析,分析试验方法的适用性。数据统计分析 辽宁忠旺集团有限公司5.3 试验报告及试验数据处理2016年4月-7月,由辽宁忠旺集团有限公司制备疲劳试样,并发送给北京有色院、广州有色院、西南铝、东轻、高登、南山、兖矿7家单位进行疲劳试验。6月份,北京有色院、广州有色院、西南铝、东轻、高登、南山6家单位返回疲劳数据。6月-7月份由辽宁忠旺对各单位反馈数据进行处理。5.4 第三次工作会议2016年7月4-6日,在辽阳召开第三次工作会议,会议对本标准的试验验证情况及标准文本进行了讨论,并要求编制组根

    21、据征求意见稿回函意见和试验验证情况,填写征求意见表。5.5 第四次工作会议62018年3月13-14日在云南省昆明市召开 先进有色金属结构材料领域关键技术标准研究课题工作会议,会上对主编单位提出的预审稿进行了讨论,编制组根据预审会的意见和要求对预审稿进行了修改,并根据讨论会精神形成送审稿及编制说明。二、标准编制原则和确定标准主要内容的论据(一)标准编制原则根据铝合金材料的特点和铝型材疲劳试验的经验,以及国内几十年来材料疲劳试验技术的发展过程和疲劳试验标准版本制定、修订情况,鉴于 GB/T3075-2008(ISO1099:2006,MOD) 金属材料疲劳试验轴向力控制方法标准缺少主要试验方法内

    22、容,存在技术差异性和可操作性差异性,以及 GB/T24176-2009/ISO12107:2003,IDT金属材料疲劳试验数据统计方案与分析方法标准在主要内容上存在的文字编译错误、技术差异性和不可操作性,本标准编制弥补了以上两项现行标准的不足。(二)确定标准主要内容的论据1 范围本标准规定的范围:环境需在室温下,室温温度范围在 1035;试验材料为铝合金挤压型材,同时也适用于其他铝加工材料;试验的控制方法为恒幅轴向力控制,试样所受力一般为正弦波,也可以采用其他波形如梯形波、三角波和方波等,载荷类型分为拉拉、拉压、压压;本标准适用于测定中等寿命区(大致在 10410 6 循环数范围内)规定应力水

    23、平下的中值疲劳寿命和规定存活率下的安全疲劳寿命,测定长寿命区(大致在 106 循环数以上)规定循环基数下的中值疲劳强度或疲劳极限和规定存活率下的安全疲劳强度,测定中值 S-N 曲线和规定存活率下的P-S-N 曲线以及测定 Goodman 曲线。由于本标准给出光滑试样(应力集中系数Kt=1)形状和尺寸,未包含缺口试样,但缺口试样(应力集中系数Kt1)的疲劳试验可参照本标准。为了明确本标准的适用范围,在“范围”中加入注释“本标准未包含缺口试样的形状、尺寸和制备,但是,本标准中方法验证、试验设备、试验程序、试验结果、数值修约及附录内容可用于缺口试样的疲劳试验。”2 规范性引用文件为规范疲劳试验机的使

    24、用要求,引用了 JJG556-2011轴向加荷疲劳试验机检定规程 ,本标准涉及到疲劳试验过程中的术语,引用了 GB/T 10623金属材料 力学性能试验术语 。3 术语和定义根据第三次工作会议及各参编单位反馈的征求意见表,需增加术语和定义,保证读者能够清晰的了解本标准涉及的术语及符号的定义,以便其更能理解本标准。由于本标准中涉及的最大应力、最小应力、平均应力、应力范围、应力比、理论应力集中系数、S-N 曲线等术语在 GB/T 10623金属材料 力学性能试验术语中有相关定义,因此在本标准中没有写出来,而是直接引用 GB/T 10623 标准。但应力水平、存活率、疲劳寿命、中值疲劳寿命、中值对数

    25、疲劳寿命、P 存活率的对数疲劳寿命、疲劳强度、P 存活率的疲劳强度、中值疲劳强度、疲劳极限、中值 S-N 曲线、P-S-N 曲线和 Goodman 曲线的定义并没有,因此在标准中将其定义及符号写出。4 方法概述本方法是采用一定数量的试样,沿试样纵向施加恒幅交变载荷(见图 5),其载荷类型见图 6。在规定应力水平条件下,测定材料的疲劳寿命;在规定循环次数条件下,测定材料的疲劳强度。根据第三次工作会议以及各公司反馈的征求意见表中提出两点:第一点,将载荷类型换成正弦波形势;第二点,需增加载荷类型的,明确在试验过程中试验载荷类型。因此改完后的图片见图 5。7循环应力123图 5 疲劳试验示意图说明:1

    26、上夹具;2试样;3下夹具。|m|am=0t 时间压压 拉压 拉拉应力|m|=a|m|a图6 循环应力类型5 试验设备金属材料疲劳试验轴向力控制方法属于“高周疲劳”或称“应力疲劳”范畴,且规定疲劳寿命比较长(例如 N01107、N 02107、N 01108) ,在整个试验过程中以弹性应变分量为主,试验频率较高而试验周期较短。例如,某铝型材疲劳试验,N 01107,高频机频率 f=65Hz 和 f=95Hz,分别需要约 43 小时(约 1.8 天)和 30 小时(约 1.25 天) ;低频机频率 f=20Hz,需要 139 小时(约6 天) 。因此,标准推荐采用电磁共振式高频疲劳试验机、电液伺服

    27、式疲劳试验机或其他形式轴向疲劳试验机进行试验, 试验机静态力、动态力以及受力同轴度均按 JJG556-2011 检定。静态力示值相对误差应不大于1.0% 。循环力范围和循环力峰值的示值相对误差:电磁共振型疲劳试验机和其他形式轴向疲劳试验机应不大于3%,电液伺服疲劳试验机应不大于2%。受力同轴度即最大弯曲应变百分比应不大于 10%。6 试样 试样的类型、名称和规格关于试样的类型和名称,按照试样工作部分横截面形状分为圆形横截面试样和矩形横截面试样,简称为“圆形试样” 和“ 矩形试样 ”;按照工作部分横截面的面积变化分为单一最小截面试样和等同截面试样,简称为“单截面试样”和“ 等截面试样”。对于圆形

    28、试样,按夹持方式不同又分为夹持端螺纹试样和夹持端圆棒试样,简称为“螺纹试样”和“ 圆棒试样 ”。本标准给出的试样均为光滑试样,即应力集中系数 Kt=1。8试样规格的制定,结合HB5287 金属材料轴向加载疲劳试验方法中对标准试样的规定,以及表 2、表 3 所示的企业单位标准试样的使用情况,按照试样工作部分直径或宽度和最小直径或宽度来确定标准疲劳试样不同类型的规格。表 2 各企业用圆形试样尺寸汇总表标准试样类型试样类型型材厚度 a试样夹持部分直径或螺纹规格 D(M)试样最小直径 d试样过渡圆弧半径 R夹持部分长度L1试样工作部分的平行长度 LC试样总长L数据反馈公司15.00 M141.00 5

    29、.000.02 50.001.00 20.00 / 150.00 广东高登/ M141-6g 5.000.02 50.00 14.00 / 70.00 东北轻合金15.0020.00 18.000.50 7.000.25 72.00 35.00 / 130.00 山东兖矿15.00 12.001.00 5.000.02 50.001.00 20.00 / 150.00 广东高登15.0020.00 18.000.50 7.000.25 72.00 35.00 22.00 152.20 山东兖矿/ 12.00 5.000.02 40.00 46.00 15.00 140.00 山东南山/ 14.

    30、00 6.000.02 50.00 46.00 17.00 149.00 山东南山/ 18.00 8.000.03 64.00 53.00 24.00 180.00 山东南山/ 28.00 12.700.05 101.00 67.00 25.40 238.00 山东南山25.00 20.001.00 10.000.05 60.001.00 / 35.00 150.00 广东高登12.00 5.000.02 40.00 46.00 15.00 140.00 12.00 广东坚美14.00 6.000.02 50.00 46.00 17.00 149.00 14.00 广东坚美18.00 8.00

    31、0.03 64.00 53.00 24.00 180 18.00 广东坚美/ D22.00 7.000.02 36.00+15.0018.00 24.00 110.00 东北轻合金/ D22.90 12.700.02 76.20 71.00 50.08 250.00 东北轻合金15.0025.00圆柱试样10.000.02 80.001.00 / 20.001.00螺纹试样 M221圆形等截面试样 25.00 圆柱试样 10.000.05 60.001.00 35 20.001.0010表 5 矩形试样尺寸及偏差标准试样类型 型材厚度(a)b R Lc B矩形单截面试样 15.00 15.00

    32、0.05 120.001.00 / 40.001.00矩形等截面试样 15.00 15.000.05 50.001.00 50.001.00 40.001.00试样形状和尺寸公差、表面粗糙度a.标准规定了试样工作部分及过渡部分的形状、尺寸及公差和表面粗糙度,以及等截面试样平行部分的最小尺寸。b.标准规定了矩形试样夹持部分宽度、圆形试样夹持端圆棒或螺纹规格,以及相应的对称度、同轴度和垂直度允许偏差。试样夹持部分的尺寸公差、表面粗糙度、圆形试样夹持端螺纹精度等级和中心孔等未进行具体规定。c.应根据试验机夹持机构和试验材料具体情况,以及用户的要求选择试样类型。试样制备a.一般要求除了对试样取样、编号

    33、、尺寸、形位偏差和表面粗糙度等一般应符合试样图纸的要求以外,还重点要求是:圆弧与平行长度连接应光滑; 单截面试样尺寸和形状偏差测量应使用工具显微镜; 线切割加工试样应留有去除电火花加工硬化层的加工余量;铣削或车削加工应逐次减少切削量,以减少加工硬化和防止过热;抛光应沿着试样纵向,压向试样表面的力尽可能小,以降低表面残余应力的影响;矩形试样棱边应去除毛刺和倒圆,倒圆半径 0.10.2mm,倒圆表面粗糙度应不低于对试样加工表面的粗糙度要求;试样表面不应有划痕、碰伤和腐蚀等损伤或缺陷。b.加工方法疲劳试样加工方法及参数见表 6,相关信息资料见表 7 和表 8。圆形试样车削加工:粗车+精车+ 抛光。规

    34、定精车削加工切削量应逐次减少,建议了加工余量、切削量(切削深度)以及进给量和试样加工表面的抛光方法。矩形试样铣削加工:粗铣+精铣+抛光。规定精铣削加工切削量应逐次减少,建议了加工余量、切削量(切削深度) ,以及试样加工表面抛光的要求。表 6 试样加工方法和工艺参数试样类型 加工方法和工艺参数加工余量,mm 0.50切削深度,mm 1.25、0.75、0.25进给量 f,mm/r -粗车切削速度 v,m/min -加工余量,mm 0.02切削深度 ap,mm 0.12、0.07、0.05进给量 f,mm/r 0.08精车切削速度 v,m/min -表面粗糙度,Ra,um 0.32圆形试样抛光最后

    35、抛光砂纸型号 -粗铣 加工余量,mm 2.00加工余量,mm 0.20切削深度 ap,mm 0.50、0.20、0.10进给量 f,mm/r -精铣主轴转速 r/min -矩形试样抛光 表面粗糙度 0.3211最后抛光砂纸型号 -表 7 铝型材试样切削加工各级表面粗糙度的表面特征及加工方法表面粗糙度Ra,um(旧标准) 名称 表面外观特征 加工方法12.5(4) 可见加工痕迹 粗车、粗铣6.3(5) 微见加工痕迹 半精车、半精铣3.2(6)半光面看不见加工痕迹 半精车、半精铣1.6(7) 可辩加工痕迹方向 精车、精铣0.8(8) 微辩加工痕迹方向 精车、精铣0.4(9)光面不可辩加工痕迹方向

    36、精密车、精密铣、抛光0.2(10) 暗光泽面0.1(11)最光面亮光泽面抛光表 8 几种加工方法的加工硬化程度及硬化层深度加工硬化程度 N,% 硬化层深度 h, um加工方法 平均值 最大值 平均值 最大值普通车、高速车 120150 200 3050 200精车 140180 220 2060 -端铣 140160 220 40100 200圆周铣 120140 200 4080 110研磨膏研磨 112117 - 37 -注: 表中加工硬化程度 N(%)是已加工表面显微硬度 H 的增加值(H-H 0)对原始显微硬度 H0 比值的百分数。铝合金加工硬化程度 N(%)比钢小 75%左右。加工表

    37、面硬化和残余应力的影响因素:刀具(前角、刀刃钝圆半径和刀具后刀面磨损量) 、工件材料和切削条件(切削深度、进给量、切削速度和切削液) 。7 试验程序关于试验程序有以下 6 项一般性规定:试验在室温下进行,通常应为10 35。试验前应对试样进行外观检验,清洁试样表面时不得造成试样损伤。用光学仪器检验试样工作表面,不允许有划痕、磕碰和腐蚀等缺陷。采用工具显微镜或投影仪测量单截面试样工作部分最小横截面的宽度或直径,测量精度应不低于0.01mm。将试样装夹在适当的夹具上,并保证同轴度,不得超载。载荷波形为正弦波,通常试验频率不大于200Hz 。记录试验结果及试验过程中的异常情况。8 试验结果通过性试验

    38、在规定应力水平和循环次数的条件下,以 3 根试样进行检验性试验,这一检验性试验方法已为国内外客户及双方认可和采用,适用于产品试制、首批检验和批量生产抽样检验等。检验性试验,亦称“通过性试验” ,通常取 3 根试样,在规定应力水平条件下进行试验,如果在规定循环次数条件(例如:N110 7)试样未发生断裂,则认为检验合格,反之则不合格。若技术协议另有规12定,可按有关规定进行检验。在国内外标准中,关于规定“三根试样检验试验通过”内容的疲劳试验方法标准,例如:国内航标 HB5152、HB5153,日本 JIS Z 2273(6.13)等。成组试验法成组试验法是某一指定应力水平下根据一组试样的试验结果

    39、(至断裂的循环次数或疲劳寿命) ,测定中值疲劳寿命和规定存活率下的疲劳寿命。成组试验法适用于中等寿命区,即在同一应力水平下,测得的一组试样疲劳寿命大致在 106 循环次数范围内。利用成组试验法测定中值疲劳寿命时,每组有效试样数不得少于三个。处理数据时,预先将各个疲劳寿命观测值均取成对数,然后计算对数寿命的子样平均值和子样标准差。当给定置信度时,应根据子样变异系数查表得所需最少观测值个数(或有效试样件数) 。利用对数寿命子样平均值和子样标准差,采用解析法估计规定存活率下的安全疲劳寿命。在进行统计分析时,假定中等寿命区的疲劳寿命遵循正态分布。在疲劳性能测试中,通常把疲劳寿命划分为三个区限,短寿命区

    40、:在大应变循环下,疲劳寿命大致在 104 循环数以内;中等寿命区:承受中等应力水平,疲劳寿命大致在 10410 6 循环数范;长寿命区:施加的应力水平较低,疲劳寿命大致在 106 循环数以上,以至达到 107 或 108 甚至 109 循环次数。成组试验法示例:试验单位为北京有色金属研究院;试验材料及试样为 6005A-T6 铝型材,纵向取样,壁厚 4.2mm。试样采用宽度 15mm 的矩形单截面疲劳试样,应力集中系数 Kt=1,试样厚度为型材壁厚;试验条件为德国 Zwick 100kN 高频疲劳试验机,轴向加载,应力比 R=0.1,加载频率 f=95Hz,室温空气环境。成组法为 4 级应力水

    41、平,疲劳寿命范围为 1052.56106。试验数据及数据处理结果,见表 9-1 和表 9-2。表 9-1 成组法试验数据最大应力 ,MPamax 疲劳寿命 N,千周260 143 134 144 116220 472 234 455 249200 282 533 397 391 180 2560 777 1100表 9-2 成组试验数据处理结果(置信度 =95%),MPamaxn 50lgNx s /vCsx5.97.lgN35.9710,260 4 5.1263 0.04357 0.0085 5.0409 110220 4 5.5243 0.16405 0.0297 5.2028 16020

    42、0 4 5.5920 0.11298 0.0202 5.3706 235180 3 6.1134 0.26630 0.0436 5.5914 390表 8-2 中,根据变异系数 检验有效试样个数满足置信度 =95%的要求。查表得Cs/x。存活率 P=97.5%的对数疲劳寿命 ,存活率 P=97.5%的疲劳寿命96.1pk sx96.1-97.5。xN-5.7lg升降法试验a. 升降法试验原理和方法升降法试验是在规定循环次数下(或称为循环基数) (例如:N=110 7)测定中值疲劳强度或规定存活率的疲劳强度。本方法适用于长寿命区。在对试验结果进行统计分析时,假定疲劳强度13遵循正态分布。升降试验

    43、法的原理是:每个应力水平使用一件试样进行试验称之为单点法试验。当进行单点法试验时,在逐渐降低应力水平过程中,如某一试样在第 i 级应力 的作用下未达到指定寿命i发生破坏,而依次试验的另一试样在较低的第 i+1 级应力 作用下“越出”(达到指定寿命N 1i未破坏) ,则对应指定寿命 的疲劳强度极大似然估计量为 。将 和 视N2/)(1*ii1i为出现相反试验结果(破坏和越出 )的一对数据。当重复以上试验时,则成对数据将会随机出现,从而取得对应同一指定寿命 的不同 值。以此为依据,将对于应力 作为随机变量进行统计分*ii析。进行升降法试验时,第一个试样的试验应力水平应略高于预计疲劳极限,随后试样的

    44、试验应力水平取决于前一试样的试验结果。凡前一试样未达到指定寿命发生破坏,则随后的一次试验将在低一级的应力水平下进行;凡前一根试样达到指定寿命未破坏,则随后的一次试验就在高一级应力水平下进行,直至完成全部试验为止。对第一次出现相反结果以前的试验数据,在后续的试验中可以利用。选择相邻两级应力水平的应力增量是升降法试验中一个重要程序。合适的应力增量应为估计疲劳极限值的(35)%,并使得应力升降级数为 35 级,有效试样件数 15 件左右(实际需要的试样数量取决于试验数据分散程度和计算变异系数并查表所得到的满足置信度要求的最少观测值个数) 。根据试验过程及试验数据绘制应力升降图。升降法是国内外通用的标

    45、准试验方法。例如:GB/T24176-2009/ISO 12107:2003(7.1) 、GJB/Z18-91(5.5.4.3) 、HB/Z112-86(3) 、HB5287-96(7.1)等。b.中值疲劳强度或疲劳极限的测定如果试验的目的只需要求出中值疲劳强度或疲劳极限,按下式计算: 1mNiiVn式中:n 为有效试验总次数;m 为升降应力水平级数; 为第 i 级应力水平; 为第 i 级应力iiV水平下的试验次数。如果试验需要求出中值疲劳强度和标准差,进而确定置信度,则应将相邻应力水平的各数据点按一个“破坏 ”和一个“ 越出 ”配成一对,如果升降图是封闭的,则所有试验点都能配成对子,这时中值

    46、疲劳强度的估计量按下式计算,计算结果与不配对计算的结果相同: *150miiVn式中: 为配成对子的总数,即升降法试样的一半; 为配成对子的级数,即升降法级数减*n1,即 ; 为配成对子的应力水平 ; 为相邻两级配成的对子数。1-mi 2)/(1i*i中值疲劳强度或疲劳极限的子样标准差按下式计算: 1-n*250*miis当给定置信度(=95%或 90%)时,根据子样变异系数 和给定的置信度,50/sxCv可由标准附录 D 中表 D1.1 和表 D1.2 查得所需最少观测值个数或有效试样个数。c. 规定存活率下疲劳强度的测定采用标准正态偏量法,按 计算规定存活率 P 下的疲劳强度。式中的p50

    47、pus14标准正态偏量 数值可由标准附录 D 表 D.2 查得。如果用户或产品协议要求进行样本标准pu差修正或单侧容限系数修正,可按照附录 E 或附录 F 进行数据处理。升降法试验示例:试验单位及相关信息同,升降法为 4 级应力水平,应力增量为5MPa,相当于中值疲劳强度的 3%。试验数据及升降图见表 10-1、表 10-2、表 10-3 和图7。表 10-1 升降法试验数据(指定寿命 N= )710最大应力 ,MPamax 疲劳寿命 N,千周175 10000 839170 1820 1040 2470 10000 628165 6310 10000 10000 795 10000160 1

    48、0000 10000图 7 升降图(N 0=107,-断裂,- 通过)表 9-2 计算对子应力表 10-2 升降法数据处理 ,Mpai1i 对子应力 ,Mpa*i对子个数 *iV180175 177.5 1175170 172.5 1170165 167.5 3165160 162.5 2表 10-3 升降法试验数据处理结果(指定寿命 N0=107,置信度 =95%)*n,MPa50 , MPa*s 5*/s, MPa97.5157 168 5.345 0.0318 158表 9-3 中,根据变异系数 检验有效试样个数满足置信度 =95%,规定存活率疲劳强度xs/, 存活率 P=97.5%,查

    49、表得 uP=-1.96。50ppus S-N 曲线的测定a.单点法 S-N 曲线测定当试样件数或试验条件受到限制时,采用单点法粗略的测定 S-N 曲线。试样数量 10 件左右。在中寿命区,应力水平应不少于 5 级。用单点法测定疲劳极限时,如果试样在第 i 级应力 下,未i达到规定的循环次数发生断裂,而在较低的第 i+1 级应力 下未发生断裂,并且两个应力的差值1i( )不超过 的 5%,则 与 的平均值可为疲劳极限参考值,按1i1ii1i计算。 /2Di( )b. S-N 曲线和 P-S-N 曲线测定S-N 曲线和 P-S-N 曲线是疲劳应力与疲劳寿命和规定存活率下的疲劳应力与疲劳寿命的关系曲线。S-N 曲线是最大应力 或应力幅 与至断裂循环次数

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