一种通过应力幅判断镁合金构件棘轮应变极值的方法

1.本发明金属材料应力控制技术领域，尤其涉及一种通过应力幅判断镁合金构件棘轮应变极值的方法。


背景技术：

2.镁合金作为密度较低的金属结构材料，以高比刚度、良好的电磁屏蔽性等优异性能而备受关注，在航空航天、汽车、3c(计算机、通信和消费电子)、生物医学等行业具有巨大的应用潜力。镁合金和大多数金属材料在服役过程中受到非对称应力循环作用出现塑性应变的累积，即棘轮效应。在工程实际中棘轮效应不仅会产生较大形变，而且会对材料造成不可逆转的损伤，减少疲劳寿命。因此在评估镁合金构件的疲劳寿命和可靠性之前，通常先对镁合金的棘轮效应进行研究。平均应力和应力幅作为应力控制循环实验的基本参数，施加不同的应力幅可以改变镁合金构件棘轮应变的大小，但应力幅对棘轮应变的影响并不是单调的。因此有必要建立一种可以通过应力幅的大小来判断镁合金构件使用过程中产生棘轮应变极值点的方法。


技术实现要素：

3.针对现有技术的不足，本发明提供一种通过应力幅判断镁合金构件棘轮应变极值的方法，通过调整应力幅大小，改变主要循环变形机制，确定应力幅与棘轮应变大小的关系，从而准确判断在不同应力范围下镁合金构件的棘轮应变极值点。
4.一种通过应力幅判断镁合金构件棘轮应变极值的方法，包括以下步骤：
5.步骤1、判断镁合金构件和材料的织构，制作符合疲劳实验标准的样品；
6.所述疲劳实验标准为gb/t15248-2008金属材料轴向等幅低循环疲劳试验方法中疲劳实验标准；
7.步骤2、在20～25℃进行单调拉伸或压缩实验，获取材料的基本力学性能参数，包括：拉伸屈服强度、压缩屈服强度和弹性极限；
8.步骤3、确定应力的加载方向，选择不同的平均应力，并在相同平均应力下，选择不同的应力幅作为实验参数，进行镁合金低周循环疲劳试验，判断循环应变最大值和最小值与应力幅的关系，当应力幅与循环应变极值为单调变化时，则增加应力幅；当循环应变极值不随应力幅的增加而增加时，则此应力幅值为此循环条件下的应力幅极值；
9.步骤4、根据在镁合金低周循环疲劳试验中获取的材料在非对称循环实验中每循环周期的最大应变和最小应变，计算出每循环周次的棘轮应变，绘制出棘轮应变随周期的变化曲线。棘轮应变定义为εr＝(ε
max
ε
min
)/2，其中，ε
max
为每循环轴向应变最大值，ε
min
为每循环轴向应变最小值。
10.步骤5、根据棘轮应变与应力幅大小的关系判断所选应力幅值是不是棘轮应变的极值点，即施加的应力幅小于棘轮应变极值所对应的应力幅值，棘轮应变随应力幅的增加而增加，当施加的应力幅大于棘轮应变极值所对应的应力幅值时，棘轮应变随应力幅的增
加而减小。
11.步骤6、根据该棘轮应变极值点，选择棘轮应变极值所对应的应力幅作为临界值来判断棘轮应变的大小，当服役条件的应力幅小于该临界值时，选择更小的应力幅来减小棘轮应变的大小，当应力幅大于该值时，选择更大的应力幅度来减小棘轮应变带来的损伤，以此判断不同应力幅对镁合金构件的影响。
12.采用上述技术方案所产生的有益效果在于：
13.本发明提供一种通过应力幅判断镁合金构件棘轮应变极值的方法，本方法提供一种在应力控制循环加载条件下根据棘轮应变大小快速判断镁合金适用载荷环境的加载频率范围的方法，根据临界值调节加载频率进而控制循环加载过程产生的塑性变形和棘轮应变的大小，使镁合金构件满足工程应用环境。
14.本发明基于判断镁合金构件使用时棘轮应变大小的需求，本方法可以判断镁合金结构件在不同应力循环加载条件下的棘轮应变，为判定金属材料的服役安全条件提供理论依据，对金属材料在循环载荷下的棘轮效应和疲劳行为，以及对金属结构件的可靠性设计和疲劳寿命评估具有重要现实意义。
15.本发明数据库面向公众实现数据信息全面共享，提升判断镁合金构件可靠性的方法，对棘轮应变的相关研究具有重要的理论和现实意义。
附图说明
16.图1为本发明实施例中通过应力幅判断镁合金构件棘轮应变极值的方法流程图；
17.图2为本发明实施例中平均应力-45mpa，应力幅分别为45、75和105mpa时的棘轮应变随周期变化曲线图；
18.图3为本发明实施例中平均应力-75mpa，、应力幅分别为45、75和105mpa时的棘轮应变随周期变化曲线图；
19.图4为本发明实施例中平均应力-135mpa，应力幅分别为45、75和105mpa时的棘轮应变随周期变化曲线图；
具体实施方式
20.下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
21.一种通过应力幅判断镁合金构件棘轮应变极值的方法，如图1所示，包括以下步骤：
22.步骤1、判断镁合金构件和材料的织构，制作符合疲劳实验标准的样品；
23.所述疲劳实验标准为gb/t15248-2008金属材料轴向等幅低循环疲劳试验方法中疲劳实验标准；本实施例中实验选用材料为挤压态镁合金棒材，织构形式为纤维织构。为了消除材料内应力并获得等轴的再结晶组织，对原始棒材进行520℃/80min的退火热处理，沿棒材轴向切取直径为16mm的圆棒，进一步加工成标距段长度为20mm直径为10mm的疲劳实验样品，并对样品进行抛光处理以满足实验要求。
24.步骤2、在20～25℃进行单调拉伸或压缩实验，获取材料的基本力学性能参数，包括：拉伸屈服强度、压缩屈服强度和弹性极限；
25.本实施例中单调拉伸和压缩实验应变速率为1
×
10-3
/s，实验频率为1hz，加载波形为三角波。
26.步骤3、确定应力的加载方向，选择不同的平均应力，并在相同平均应力下，选择不同的应力幅作为实验参数，进行镁合金低周循环疲劳试验，判断循环应变最大值和最小值与应力幅的关系，当应力幅与循环应变极值为单调变化时，则增加应力幅；当循环应变极值不随应力幅的增加而增加时，则此应力幅值为此循环条件下的应力幅极值；
27.步骤4、根据在镁合金低周循环疲劳试验中获取的材料在非对称循环实验中每循环周期的最大应变和最小应变，计算出每循环周次的棘轮应变，绘制出棘轮应变随周期的变化曲线。棘轮应变定义为εr＝(ε
max
ε
min
)/2，其中，ε
max
为每循环轴向应变最大值，ε
min
为每循环轴向应变最小值。
28.本实施例中将镁合金式样放置在多功能液压伺服试验机上开展非对称应力控制的循环实验，具体实验条件如表1所示，根据所得数据计算出棘轮应变大小并绘制周期-棘轮应变曲线图，观察不同应力幅对棘轮应变的影响以及变化规律。
29.表1镁合金单轴循环加载实验的加载条件
[0030][0031]
步骤5、根据棘轮应变与应力幅大小的关系判断所选应力幅值是不是棘轮应变的极值点，即施加的应力幅小于棘轮应变极值所对应的应力幅值，棘轮应变随应力幅的增加而增加，当施加的应力幅大于棘轮应变极值所对应的应力幅值时，棘轮应变随应力幅的增加而减小。
[0032]
本实施例中得出的不同加载应力下的棘轮应变大小关系：当平均应力为-45mpa和-135mpa时，不同应力幅下的棘轮应变大小为ε
r75
》ε
r105
》ε
r45
，当平均应力为-75mpa时，其棘轮应变大小关系则为ε
r75
》ε
r45
》ε
r105
，应力幅75mpa为棘轮应变极值点。
[0033]
步骤6、根据该棘轮应变极值点，考虑到在选择镁合金构件的服役加载应力时，应根据棘轮应变的大小选择合适应力幅度，使产生的塑性变形量和累积的棘轮应变不得超过材料所能承载的最大变形量。选择棘轮应变极值所对应的应力幅作为临界值来判断棘轮应变的大小，当服役条件的应力幅小于该临界值时，选择更小的应力幅来减小棘轮应变的大小，当应力幅大于该值时，选择更大的应力幅度来减小棘轮应变带来的损伤，以此判断不同应力幅对镁合金构件的影响。
[0034]
图2、图3、图4为本发明实施例中不同加载应力情况下的平均应力、应力幅以及棘轮应变曲线图，其中σm为平均应力，σa为应力幅，εr为棘轮应变；
[0035]
根据棘轮应变的极值判断结构材料在循环过程中的最大变形量及棘轮应变对疲劳寿命的影响，判断镁合金构件是否满足工程应用环境。定义镁合金构件的服役加载应力时，应根据棘轮应变的大小选择合适应力幅度，使产生的塑性变形量和累积的棘轮应变不
得超过材料所能承载的最大变形量。当服役环境的加载条件产生的棘轮应变大小超过极限变形量时，根据临界值判断加载应力进而控制循环加载过程产生的塑性变形和棘轮应变的大小意义：提供一种在应力控制循环加载条件下判断棘轮应变大小的方法，通过调节加载应力使镁合金构件满足工程应用环境。
[0036]
以上描述仅为本公开的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本公开的实施例中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离上述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本公开的实施例中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。