AZ31B镁合金疲劳过程中的产热分析及性能预测

摘要

镁合金具有低密度、比强度、比刚度高，易回收等一系列的优点，被广泛应用于航空航天、轨道交通和3C产品，是继钢铁材料和铝合金之后发展起来的第三大材料，被称为“21世纪的绿色工程结构材料”。
　　 疲劳失效是工程构件失效的主要形式，在疲劳过程中，由于内部微观缺陷的演化，产生塑性变形，伴随有能量耗散，试样有温度变化。
　　 本文利用Infra Tec红外热像仪对AZ31B镁合金板材在疲劳过程中表面温度变化进行监测，探究疲劳过程中试样表面温度变化规律及产热机理;对疲劳过程不同阶段的试样进行拉伸测试，进行力学性能分析，探究引起温度变化的原因;并利用热力学方程对试样疲劳过程中的产热进行定量计算;应用疲劳过程中试样表面的温度变化规律进行疲劳强度预测，基于能量法，提出了镁合金剩余寿命的计算方法。
　　 红外热图像分析结果显示:在恒定载荷加载过程中，加载应力高于疲劳强度时，试样表面最高点温度变化经历5个阶段:初始温升阶段、温度下降阶段、温度稳定阶段、快速升温阶段和断后自然冷却阶段，宏观裂纹在温度稳定阶段的后期生成;加载应力低于疲劳强度时，试样表面温度不会经历明显变化。
　　 热弹性效应、非弹性效应，热传导效应是影响温度变化的主要因素，共同作用于整个疲劳过程中:当R=0.1时，热弹性效应会造成温度下降，下降幅度较小;非弹性效应造成温度升高，是试样温度升高的主要因素，热传导效应使得温度场温度分布趋于均匀。
　　 通过对不同循环次数的试样进行拉伸测试，得到不同谐振次数下的应力-应变曲线，结果显示:在疲劳初始过程中，试样经历加工硬化，随着进一步加载，会发生加工软化，加工硬化与加工软化与温度变化趋势相同。用理论方法和直线拟合法分别计算了在静载过程中镁合金热弹性效应的定量表达式为△T=-4.1×10-3σ和△T=-4.3×10-3σ。
　　 应用能量法得到决定该种镁合金试样疲劳寿命的特征参量Φ为1.48×106（℃.m-3），根据疲劳过程中试样表面温度变化的规律，提出了镁合金剩余寿命的计算公式，并利用温度数据进行寿命预测，绘制了S-N曲线，与传统试验方法得到的S-N曲线相比，取得很好的一致性。
　　 论文中分别用热像法、能量法预测了镁合金循环次数为1×107下的疲劳强度△σTM=102.3MPa，△σΦ=99.3MPa，结果显示，这两种方法可以快速准确的确定材料的疲劳强度，与传统试验方法得到的疲劳强度(△σSN=99.8MPa)相比，误差分别为1.5％、0.5％。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 选题背景及意义

1．2 红外热成像技术

1．2．1 红外热成像原理

1．2．2 红外热像法的应用

1．3 疲劳过程中的能量耗散

1．3．1 影响温度场变化的影响因素

1．3．2 金属材料在疲劳过程中的温度变化情况

1．4 几种疲劳热像法

1．4．1 Risitano法

1．4．2 Luong法

1．4．3 疲劳寿命的预测及快速绘制S-N曲线

1．5 疲劳热像法应用研究现状

1．6 本课题的研究内容及技术路线

第二章 试验材料及设备

2．1 引言

2．2 试验材料

2．3 疲劳热成像系统

2．4 试验数据处理方法

2．4．1 疲劳数据处理

2．4．2 热图像数据处理试验

第三章 定量热计算理论

3．1 热扩散方程

3．2 热弹性效应

3．3 非弹性效应

3．4 热传导效应

3．5 本章小结

第四章 镁合金在疲劳过程中温度变化规律

4．1 引言

4．2 试件及试验过程

4．3 镁合金在恒定应力幅下的温度场变化规律

4．3．1 试样表面温度最高点的变化规律

4．3．2 试样表面温度场的变化规律

4．4 应力幅变化对温度变化的影响

4．5 应力比对温度变化的影响

4．6 疲劳过程中温度变化的影响因素

4．6．1 热弹性效应

4．6．2 非弹性效应

4．6．3 热传导效应

4．7 小结

第五章 镁合金疲劳性能预测

5．1 引言

5．2 理论基础

5．3 镁合金疲劳极限预测

5．4 镁合金的剩余寿命预测

5．5 镁合金的S-N曲线预测

5．6 本章小结

第六章 疲劳过程中力学性能变化

6．1 引言

6．2 拉伸试样及拉伸过程

6．3 AZ31镁合金的拉伸性能

6．4 各阶段疲劳试样的拉伸性能

6．5 本章小结

第七章 结论与展望

7．1 结论

7．2 展望

参考文献

致谢

参与的科研项目与研究成果