一种确定镁合金构件在工程中加载频率范围的方法

1.本发明镁合金塑性变形技术领域，尤其涉及一种确定镁合金构件在工程中加载频率范围的方法。


背景技术：

2.结构轻量化已成为现代制造业的一个重要战略，挤压镁合金由于具有较高的比强度、较高的比刚度和理想的韧性，在铁路交通和航空航天等运输领域有较为广泛的应用。镁合金在循环载荷下的动态行为受到普遍关注，作为金属结构件，在复杂的工况条件下使用时会因疲劳发生塑性变形和棘轮效应，为此需要明确其疲劳性能和耐久性。由于其各向异性，镁合金通常比其他金属有着更复杂的循环应力-应变反应。
3.在应力控制下的循环加载过程中，累积的塑性变形对材料的损伤有显著的影响。一般来说，增加加载频率或降低平均应力会减小棘轮应变，并延长镁合金的疲劳寿命。迄今为止，对于分析镁合金构件能否应用到疲劳载荷环境下采用的办法仍然是通过测定构件的疲劳极限应力和使用环境的关系来确定(疲劳极限应力小于疲劳环境中最大应力)。而在上述判断过程中，并没有考虑应力加载过程中的棘轮应变以及与棘轮应变大小息息相关的加载频率的影响。因此需要建立一种在给定载荷条件下，通过调整应力控制循环过程中频率的大小来确定可能的棘轮应变极值的方法。


技术实现要素：

4.针对现有技术的不足，本发明提供一种确定镁合金构件在工程中加载频率范围的方法，能够解决构件在应用过程中频率对棘轮应变影响的相关问题，既找出应力控制下棘轮应变极值的一个更加合理准确的方法。从而确定给定加载条件下构件安全应用的使用频率范围。
5.一种确定镁合金构件在工程中加载频率范围的方法，包括以下步骤：
6.步骤1、判断镁合金构件和材料的织构及应力加载方式，制作符合疲劳实验标准的样品；
7.所述疲劳实验标准为gb/t15248金属材料轴向等幅低循环疲劳试验方法中疲劳实验标准；
8.步骤2、在18℃～25℃下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、抗拉强度和抗压强度；
9.步骤3、确定加载应力大小，在给定的应力水平下选择不同的加载频率，首先选择0.5hz以下的频率进行循环加载实验，对比不同加载频率下的应变值：当应变值随着频率的增加而减小时，继续增大频率进行实验；当应变值开始增大时，说明在上述应力加载条件下，上一个所选的加载频率使应变值达到极值点，选择更大的加载频率进行循环加载实验，应变极值继续增大，说明上述应变极值点是当前加载应力水平下的极小值点。
10.步骤4、根据在实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，根据棘轮应变公式如下：εr＝(ε
max
ε
min
)/2计算出不同循环频率下的棘轮应变，其中ε
min
和ε
max
分别表示极大值点和极小值点，绘制出不同频率下的棘轮应变随周期的变化曲线；
11.步骤5、根据棘轮应变与加载频率的关系判断棘轮应变的极小值点对应的频率，即施加的加载频率小于棘轮应变极小值点对应的频率，棘轮应变随加载频率的增加而减小，当施加的加载频率大于棘轮应变极小值点对应的频率时，棘轮应变随加载频率的增加而增大。
12.步骤6、根据金属材料的加载条件对应的棘轮应变极值的规定，棘轮应变处于极大值和极小值范围内，选择对应的加载频率范围；
13.步骤7、根据加载环境的频率和棘轮应变确定构件的安全可靠性和寿命。当加载频率小于棘轮应变极小值点对应的频率时，频率越大，棘轮应变越小，寿命越长，可靠性越高；加载频率大于棘轮应变极小值对应的频率时，频率越小，棘轮应变越小，寿命越长，可靠性越高。
14.采用上述技术方案所产生的有益效果在于：
15.本发明提供一种确定镁合金构件在工程中加载频率范围的方法，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。
16.本发明可以根据棘轮应变判定结构件在循环过程中的加载频率范围，为确定挤压镁合金的服役安全频率范围提供理论依据，对于分析循环载荷作用下构件的可靠性、安全性及预测材料的疲劳寿命具有重要的现实意义。
17.本发明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
18.图1本发明实施例不同加载频率时棘轮应变和循环加载次数的关系；
19.图2本发明实施例棘轮应变随加载频率的增加而增加时棘轮应变和加载次数的关系；
20.图3本发明实施例棘轮应变随加载频率的增加而减小时棘轮应变和加载次数的关系；
21.图4本发明实施例棘轮应变与加载频率的关系演化曲线。
具体实施方式
22.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。
23.一种确定镁合金构件在工程中加载频率范围的方法，包括以下步骤：
24.步骤1、判断镁合金构件和材料的织构及应力加载方式，制作符合疲劳实验标准的样品；
25.所述疲劳实验标准为gb/t15248金属材料轴向等幅低循环疲劳试验方法中疲劳实
验标准；
26.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。
27.步骤2、在18℃～25℃下进行应变率为10-3
/s的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、抗拉强度和抗压强度；
28.步骤3、确定加载应力大小，在给定的应力水平下选择不同的加载频率，首先选择0.5hz以下的频率进行循环加载实验，对比不同加载频率下的应变值：当应变值随着频率的增加而减小时，继续增大频率进行实验；当应变值开始增大时，说明在上述应力加载条件下，上一个所选的加载频率使应变值达到极值点，选择更大的加载频率进行循环加载实验，应变极值继续增大，说明上述应变极值点是当前加载应力水平下的极小值点。
29.本实施例中以平均应力-75mpa，应力幅105mpa的应力水平为例，确定加载频率对棘轮应变值的影响，应力循环实验以压-压形式进行，沿着样品的轴向方向，加载波形为三角波。
30.步骤4、根据在实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，根据棘轮应变公式如下：εr＝(ε
max
ε
min
)/2计算出不同循环频率下的棘轮应变，其中ε
min
和ε
max
分别表示极大值点和极小值点，绘制出不同频率下的棘轮应变随周期的变化曲线；
31.本实施例中首选频率分别为0.02hz、0.1hz、0.2hz和0.4hz。对镁合金材料进行非对称应力控制的循环加载实验，在上述的应力水平下做不同加载频率的疲劳试验。不同加载频率时棘轮应变和循环加载次数的关系如图1所示。
32.步骤5、根据棘轮应变与加载频率的关系判断棘轮应变的极小值点对应的频率，即施加的加载频率小于棘轮应变极小值点对应的频率，棘轮应变随加载频率的增加而减小，当施加的加载频率大于棘轮应变极小值点对应的频率时，棘轮应变随加载频率的增加而增大。
33.本实施例中棘轮应变大小关系为0.02hz﹥0.1hz﹥0.2hz﹥0.4hz，循环寿命大小关系为0.02hz﹤0.1hz﹤0.2hz﹤0.4hz。棘轮应变随着频率的增大而增大，疲劳寿命减小。棘轮应变随加载频率的增加而增加时棘轮应变和加载次数的关系如图2所示，棘轮应变随加载频率的增加而减小时棘轮应变和加载次数的关系如图3所示；
34.步骤6、根据金属材料的加载条件对应的棘轮应变极值的规定，棘轮应变处于极大值和极小值范围内，选择对应的加载频率范围；
35.本实施例中选择大于0.4hz的加载频率(0.6hz、1.0hz和2.0hz)继续进行循环加载实验，判断上述频率与棘轮应变的关系。实验结果，棘轮应变大小关系为2.0hz﹥1.0hz﹥0.6hz﹥0.4hz，循环寿命大小关系为2.0hz﹤1.0hz﹤0.6hz﹤0.4hz。说明加载频率为0.4hz时对应的棘轮应变为极小值点。
36.步骤7、根据加载环境的频率和棘轮应变确定构件的安全可靠性和寿命。棘轮应变与加载频率的关系演化曲线如图4所示。当加载频率小于棘轮应变极小值点对应的频率时，频率越大，棘轮应变越小，寿命越长，可靠性越高；加载频率大于棘轮应变极小值对应的频
率时，频率越小，棘轮应变越小，寿命越长，可靠性越高。
37.本实施例中观察不同频率对棘轮应变的影响及演化趋势，分析棘轮应变随频率的变化规律。在本实例中所有频率条件下的循环实验可得出，在0.02hz～0.4hz范围内棘轮应变随频率的增大而减小，寿命升高。在0.4hz～2.0hz范围内，棘轮应变随频率的增大而增大，寿命缩短。
38.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。