基于红外热像法的AZ31B镁合金应力集中系数研究

摘要

进入21世纪以来，镁合金作为轻质、高强的结构材料，在建筑结构、轨道交通、国防设备等多个领域得到了飞速的发展。由于镁合金构件在实际应用中主要承受交变载荷的作用，对镁合金疲劳性能的研究有着重大的实际意义。而疲劳断裂的裂纹萌生都发生在结构的应力集中处，判定和监测镁合金的应力集中区域有利于其安全服役。
　　本文利用红外热像法，对应力控制下AZ31B镁合金双V型缺口试样的拉伸试验过程中的红外热像数据进行分析，得到其应力集中系数，并与电阻应变片、有限元模拟得到的结果进行对比分析，检验红外热像法是否能对镁合金的应力集分布做出正确的测量。同时利用红外热像仪对AZ31B母材和双V型缺口试样的疲劳过程中的温度演变进行了研究。
　　试验的结果为:红外热像法得到的双V型缺口试样的应力集中系数为2.14，而利用电阻应变片、有限元模拟、疲劳缺口系数等方法得到的应力集中系数分别为1.78、2.20和2.29，较红外热像法的误差分别为16.8％、2.8％、7.0％。利用红外热像法测得的应力集中处的温度下降值为-0.36 K;而有限元模拟在不考虑热传导时的结果为-0.37 K，考虑热传导的结果为-0.20 K，与红外热像法所得结果的误差分别问2.8％和44.4％，结果表明不考虑热传导和试验相吻合。
　　疲劳试验的红外温度数据表明，镁合金母材疲劳试验过程中当施加应力大于其疲劳极限时其温度演变分为五个阶段:塑性温升阶段、温度下降阶段、温度稳定阶段、温度急剧上升阶段、温度冷却阶段。当施加应力在其弹性循环极限以上疲劳极限以下时其只有不明显的温升。当施加应力很小，处于弹性循环极限以下时，试样温度会有明显的温度降低。与之相比，镁合金缺口试样在发生疲劳断裂时，当施加大于镁合金疲劳极限时的应力时，其温度的演化分为温度上升、温度急剧上升、温度下降这三个阶段。施加小于镁合金疲劳极限大于其弹性极限的应力时，温度的演化分为温度略微上升、温度急剧上升、温度下降这三个阶段。当应力小于镁合金的弹性极限时温度的演化分为温度略微下降、温度急剧上升、温度下降这三个阶段。可以利用上述的温度变化规律来预测镁合金服役时的安全情况。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 选题背景及意义

1．2 疲劳与应力集中

1．2．1 疲劳概述

1．2．2 应力集中的定义

1．2．3 应力集中与疲劳的相关研究

1．3 应力分析技术

1．3．1 有损应力分析技术

1．3．2 无损应力分析技术

1．4 红外热像法在应力研究中的应用

1．4．1 红外热成像技术的原理与发展

1．4．2 红外热像法的优点

1．4．3 红外热像法在应力研究中的运用

1．5 本文主要研究内容与路线图

1．5．1 研究内容

1．5．2 路线图

第二章 试验材料及方法

2．1 引言

2．2 试验系统

2．2．1 试验材料

2．2．2 试验设备

2．2．3 拉伸试验过程

2．2．4 疲劳试验过程

2．3 试验原理

2．3．1 试验理论

2．3．2 镁合金拉伸过程中的表面温度变化

第三章 基于红外热像法镁合金拉伸试验应力分析

3．1 引言

3．2 母材拉伸试验红外应力分析

3．3 缺口试样拉伸试验红外应力分析

3．3．1 纵向温度比较

3．3．2 横向温度比较

3．3．3 基于红外法的应力计算结果

3．4 缺口试样拉伸试验应力应变分析

3．5 本章小结

第四章 镁合金应力有限元分析

4．1 引言

4．2 模拟过程

4．3 模拟结果与分析

4．3．1 应力模拟结果与分析

4．3．2 拉伸过程温度场模拟结果与分析

4．4 本章小结

第五章 镁合金及缺口试样的疲劳分析

5．1 引言

5．2 镁合金母材疲劳红外分析

5．2．1 镁合金母材疲劳试验过程中的红外表征

5．2．2 S-N曲线预测镁合金母材疲劳极限

5．2．3 红外热像法预测镁合金母材疲劳极限

5．3 镁合金缺口试样疲劳试验结果及其红外分析

5．3．1 镁合金缺口试样疲劳试验过程中的红外表征

5．3．2 双V型缺口试样疲劳断口分析

5．3．3 双V型缺口试样疲劳强度的预测

5．3．4 利用缺口敏感系数的应力集中系数预测

5．4 本章小结

第六章 结论

6．1 结论

6．2 问题及展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文和参加科研情况