镁合金及铝合金高周疲劳寿命及裂纹扩展行为的红外表征

摘要

由于材料特点和能源优势，镁合金和铝合金等轻质合金广泛应用于航天航空等交通运载结构中，这些结构均承受交变载荷易发生断裂失效。疲劳断裂是无明显塑性变形的低应力断裂，一旦发生疲劳破坏事故，人们的生命和财产将受到严重的威胁。红外热像法以其具有实时、显示直接、无损等优点被用于分析金属材料疲劳性能。镁合金和铝合金两种材料导热率不同，影响其在疲劳载荷下热辐射能力。本文利用红外热像仪测量两种材料的温度变化规律，分析两种合金材料的疲劳寿命和裂纹扩展特征，研究拓宽了红外热像法的应用，具有一定理论意义和实用价值。
　　利用红外热像仪对AZ31B镁合金和6061-T6铝合金在高周疲劳载荷作用下试样表面的温度变化进行分析测试，通过分析温度演化曲线的初始温升特征，提出一种快速预测疲劳寿命的理论模型;根据试样在疲劳断裂过程中的红外热像图来实时监测裂纹扩展趋势和测量裂纹尖端塑性区尺寸，从而对AZ31B镁合金和6061-T6铝合金的疲劳裂纹扩展特征进行研究。
　　在疲劳加载过程中，当加载应力大于材料的疲劳强度时，AZ31B镁合金试样表面的温度变化可以分为五个阶段:温度迅速上升阶段、温度降落阶段、温度平稳阶段、温度再次升高阶段和温度陡降阶段;当加载应力低于材料的疲劳强度时，试样表面的温度变化不明显，温度演化曲线中的温度变化均低于2℃。6061-T6铝合金试样表面的温度变化可以分为四个阶段:温度升高阶段，温度缓慢下降阶段，温度缓慢上升阶段和温度快速升高阶段。
　　根据热力学定律提出的预测疲劳寿命的理论模型及疲劳断裂过程不同。基于温度演化曲线的初始温升斜率用于建立预测疲劳寿命的理论模型，AZ31B镁合金板材预测疲劳寿命的理论模型为NAZ31BR=707.07300;6061-T6铝合金预测疲劳寿命的模型为N6061R=13.30036，用该模型预测的疲劳寿命与疲劳试验结果相吻合。
　　利用理论公式和红外热像图测定裂纹尖端塑性区尺寸，结果表明:AZ31B镁合金理论公式计算的裂纹尖端塑性区为3.7 mm2，热像法测得AZ31B镁合金启裂时裂纹尖端塑性区为4.1 mm2，两种方法结果误差为9.7％;6061-T6铝合金理论公式计算的裂纹尖端塑性区为3.3 mm2，热像法测得6061-T6铝合金启裂时裂纹尖端塑性区为3.5 mm2，两种方法结果误差为5.7％。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 疲劳研究概述

1．2．1 疲劳断裂事故的严重性

1．2．2 疲劳研究的发展史

1．2．3 疲劳的分类

1．3 疲劳寿命预测

1．3．1 疲劳寿命预测方法

1．3．2 红外热像法测材料疲劳寿命的研究现状

1．4 疲劳裂纹尖端塑性区尺寸

1．4．1 金属材料裂纹尖端塑性区域的测量方法

1．4．2 疲劳裂纹尖端塑性区的国内外研究现状

1．5 本论文研究内容及技术路线

1．5．1 研究内容

1．5．2 技术路线

第二章 疲劳过程中的热效应分析

2．1 引言

2．2 红外热像技术与温度测量

2．2．1 疲劳过程中温度的测量方法

2．2．2 红外热成像技术原理

2．2．3 红外热成像技术的特征及应用

2．3 试验系统

2．3．1 试验材料

2．3．2 疲劳试件的制备

2．3．3 试验设备

2．4 疲劳过程中影响温度变化的主要因素

2．5 试验数据处理方法

第三章 基于温度演化快速测定镁合金及铝合金的疲劳寿命

3．1 引言

3．2 基于能量平衡的理论模型

3．2．1 疲劳试验过程中的能量平衡

3．2．2 疲劳寿命评估模型

3．3 试验结果及分析

3．3．1 疲劳试验过程中的温度演化

3．3．2 镁合金疲劳寿命预测

3．3．3 铝合金疲劳寿命预测

3．3．4 模型验证

3．4 本章小结

第四章 红外热像法定量裂纹尖端塑性区域

4．1 引言

4．2 裂纹尖端塑形区的理论基础

4．2．1 裂纹尖端塑性区的形状

4．2．2 裂纹尖端塑性区的修正公式

4．2．3 镁合金高周疲劳载荷下裂纹尖端塑性区域的计算

4．2．4 铝合金高周疲劳载荷下裂纹尖端塑性区域的计算

4．2．5 裂纹尖端塑性区对裂纹闭合的影响

4．3 裂纹尖端塑性区产热机理及红外表征

4．3．1 裂纹尖端塑形区的产热机理

4．3．2 红外热像法测量裂纹尖端的塑性区

4．4 本章小结

第五章 结论

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