金属疲劳损伤测试技术进展
作者：蔡僖妍
来源：厦钨科技资讯
本文分享几种金属疲劳的损伤测试技术，值得收藏学习。
金属材料在原料加工过程中容易带来气孔、分层和杂质等原始缺陷，在后期的实际应用中，极易产生疲劳损伤。如果不能及时发现并定位疲劳损伤结构，将使得损伤累积扩展进而引发材料结构发生断裂，造成难以估量的损失。所以，为了工程的安全，我们必须对于疲劳破坏进行深入的研究和了解。许多机械零件和工程构件，是承受交变载荷工作的。金属材料在受到交变应力或重复循环应力时会产生微裂纹，经一定循环次数后，裂纹扩展到临界点，导致金属材料在工作应力小于屈服强度的情况下发生突然断裂，这种现象称为金属疲劳断裂。疲劳寿命设计曲线是评估结构疲劳寿命的重要依据，在国内外钢结构疲劳寿命研究中得到广泛应用[2]。在一定的平均应力σm，不同应力幅Δσ的常幅应力下进行疲劳试验，测出试件断裂时对应的疲劳寿命N，得到相应于该平均应力σm的一条疲劳寿命设计曲线，也叫S-N曲线，或称WÖhler曲线[3][4]，如图1所示。金属材料疲劳试验是通过模拟结构或部件的实际工作状况，在试验室内测定材料的疲劳寿命设计曲线。一些常用试验方法通常包括单点疲劳试验法、升降法、高频振动试验法、超声疲劳试验法、红外热像技术疲劳试验方法等。当试样个数受到限制或试验条件有困难时，可采用“单点试验法”近似地测定S-N曲线。单点疲劳试验适用于金属材料构件在室温、高温或腐蚀空气中旋转弯曲载荷条件下服役的情况。试验所需的疲劳试验机一般为弯曲疲劳试验机和拉压试验机。单点试验法在每个应力水平下只试验一个试样。第一个试样的加载应力一般为最高应力σ1，试样断裂后记下寿命N1；取另一试样的加载应力按一定比例降低为σ2，试样断裂后记下寿命N2，直至在σ2作用下，N2>107次；在σ1与σ2之间插入4~5个等差应力水平，记录各级应力水平下试样的疲劳寿命分别为N3，N4，N5，N6[7]。根据所测得试样寿命确定材料的疲劳极限(表1)。
在常规疲劳试验方法测定疲劳强度的基础上或在指定寿命的材料或结构的疲劳强度无法通过试验直接测定的情况下，一般采用升降法疲劳试验间接测定疲劳强度。升降法疲劳试验主要用于测定中、长寿命区材料或结构疲劳强度的随机特性。所需试验机一般为拉压疲劳试验机。进行升降法试验时，试验个数一般在10个以上，并预先指定某一寿命或循环基数。最初选用较高的应力水平，随后试样的应力水平取决于前一试样的试验结果。凡前一根试样未达到指定寿命发生破坏，则随后的一次实验将在低一级的应力水平下进行；凡前一根试样越出，则随后一次实验就在高一级的应力水平下进行，直到完成全部试验为止。图2为典型升降图，指定寿命为107次循环。根据升降图，将相邻应力级别的各数据点配成对子。配对时，从第一次出现相反结果的数据开始，图2中的有效数据点共14个，恰好配成7对。疲劳极限估计量等于以 ni为权的 Sri加权平均值：
N—对子个数；Sri—应力对的平均值当这些疲劳强度数值的变化越来越小，趋于稳定时，试验即可停止。高频振动试验利用试验器材产生含有循环载荷为1000Hz左右特性的交变惯性力作用于疲劳试样上，可以满足在高频、低幅、高循环环境条件下服役金属材料的疲劳性能研究，主要用于军民机械工程的需要。高频振动试验试验装置如图3。只要改变数字伺服阀的阀口开度即可实现偏置量的控制，从而应用于高频疲劳试验机，实现拉伸、压缩以及拉压交变载荷的变化。1-立柱；2-横梁；3-单出杆液压缸；4-2D数字阀；5-载荷传感器；6-上夹头；7-试件；8-下夹头；9-双出杆液压缸；10-2D激振阀；11-数字伺服阀；12-底座；超声法疲劳试验是一种加速共振式的疲劳试验方法，可以在不同载荷特征、不同环境和温度等条件下进行，主要针对109以上周次疲劳试验。材料中的缺陷可以通过分析在其中传播的超声波的特征参数的变化进行间接探测和定量表征，基于超声 C 扫成像和扫描电镜观察声衰减退化指数进而评估材料疲劳退化程度。To Kang等制作了疲劳寿命为 0 至 85%的 Al6061-T6 材料疲劳试样，使用二维超声C 扫图像和扫描电镜评估了Al6061-T6特性的整体改变(图4)，图像中的衰减在疲劳试样中局部分布。退化区在疲劳结束时逐渐增大，最终试样失效。图4(e)示出了10 MHz和20 MHz传感器的平均衰减。随着疲劳过程的继续，平均衰减增加。结果表明，声衰减退化指数能很好的表征材料的退化程度。目前在基于能量耗散的疲劳试验测试过程中红外热像技术可实现对物体表面温度场分布的显示、分析和精确测量，研究应用较为广泛。将试验数据以所加载的应力载荷为横坐标，以相对的温升值为纵坐标绘制出相应的应力幅值与试样温升值关系曲线(图5)。在工作载荷远离疲劳极限时，引起试样表面温升的疲劳机制相对单一、明确，故一般取前3个数据和最后4个数据分别利用最小二乘法进行线性拟合，认为两条直线的交点所对应的横坐标数轴即为材料的疲劳极限[11]。
传统的线性超声检测方法将声波在介质中的传播过程按照近似线性传播的方式进行研究。事实上，尽管非线性效应十分微弱，这些被忽略的非线性信号能够有效反映材料中与缺陷相关的信息：当有声波经过材料内部时，材料的晶格变化引起材料微观结构发生改变，进而表现出非线性响应。赵娜[12]对 Al6061-t6 型号铝板进行了非线性超声检测(图6)，得到的结果为：在疲劳初期，相对超声非线性系数变化不明显；在疲劳后期，相对超声非线性系数的增长趋势非常明显。试件在不同测量位置的测试数据曲线变化趋势较为一致，这说明本实验方法比较准确可靠。2、 基于热像法的金属疲劳性能分析
红外热像法可以对物体进行非接触的、远距离全景测量，不需要对材料的损伤位置做出预先的判定；具有响应速度快、灵敏度高的特点，可以区分试样表面微小的温度差别，实时绘出试样表面的温度场。郭强[13]通过红外热像技术对Q235材料在低频受载时的力学性能进行了分析，不管是在高频加载还是低频加载，与传统的试验方法相比都得到了比较理想的结果(表2)。
3、 WC-Co硬质合金在冲击和静载下的疲劳性能与尺寸效应研究研究硬质合金循环疲劳的研宄方法主要有应力-寿命法和损伤容限法，应力-寿命法是用S-N曲线来描述材料的疲劳总寿命和疲劳强度，损伤容限法是通过研宄材料疲劳裂纹扩展速率与应力场强度因子之间的关系来分析材料的疲劳性能。陈鼎、姚亮[14]主要研宄了8EF、8F、10C和15C四种牌号合金的静态疲劳性能，通过试样静态疲劳断口形貌和应力集中的理论模型分析了低钴硬质合金的静态疲劳断裂机制。得到如下结论：
1) 随着硬质合金承受的静态载荷增加，其静态疲劳寿命缩短；
2) 裂纹从试样表面或者亚表面的缺陷处开始萌生，主裂纹的亚临界扩展致使硬质合金疲劳断裂；
3) 在小范围内增加硬质合金试样的厚度可以提高其静态疲劳寿命；
4) 硬质合金的厚度效应受到其微观组织参数(Co含量和WC晶粒尺寸)的影响。高钴硬质合金因钴相桥接增韧的存在而具有更显著的厚度效应；粗晶硬质合金的厚度效应因裂纹偏折增韧机制强于细晶合金。
[1]郝富杰.概述金属疲劳产生的原因及影响因素[J].山西建筑,1009-6825( 2011)11-0051-02[2]魏伟,陈学奎.影响疲劳性能的几个因素[J].广西轻工业,1003- 2673(2009)11-23-02[3]李凤.铁路钢桁斜拉桥正交异性钢桥面板疲劳性能研究[D].成都:西南交通大学,2012.[4]李鹏.港珠澳大桥钢—混组合连续梁桥疲劳特性有限元分析[D].武汉:武汉理工大学,2013.[5]NaitoT, Ueda H, Kikuchi M. Observation of fatigue fracture surface of carburized steel. J. Soc. Mat. Sci. , Japan, 1983, 32 ( 361) : 1 162 ~ 1 166 ( In Japanese).[6]《GBT 26077-2010 金属材料 疲劳试验 轴向应变控制方法》[7]《HB 5152-1996 金属室温旋转弯曲疲劳试验方法》[8]胡刚,孟峰,张伟,张智敏, 王宇.轴向加荷疲劳试验机动态力校准装置的性能研究与应用[J].北京:中国计量科学研究院,10.3969/j.issn.1000-0771.2017.12.19.[9]何雪浤,谢伟涛.几种常用的金属材料疲劳极限试验方法[J].理化检验-物理分册.1001-4012(2015)06-0388-06.[10]ToKang, Hun-Hee Kim, Sung-Jin Song, Hak-Joon K, Characterization of fatiguedamage of Al6061-T6 with ultrasound, NDT&E International, 2012, 52:51-56.[11]LUONGMP.Fatigue limit evaluation of metals using an infrared thermographictechnique[J].Mechanics of Materials,1998,28:155-163[12]赵娜.金属疲劳微损伤的非线性超声检测技术研究[D].中北大学.2015.[13]郭杏林,郭强.基于固有耗散的高周疲劳性能评估与热力响应分析研究[D].大连理工大学.2019.[14陈鼎,姚亮,陈振华,王辉平,彭文.WC-Co硬质合金的低周冲击疲劳性能研究.稀有金属与硬质合金,2007
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