张扬 方坤 胡勇
摘要:航空材料在使用过程中,总是会因为疲劳而导致部件失效。为了更好地对航空材料使用寿命的进行预测,开展航空材料疲劳损伤试验,分析相关试验数据。优化航空材料寿命预测数据模型,减少航空工业领域因材料疲劳导致的机械失效,延长材料的使用寿命。
关键词:航空材料;疲劳损伤;失效实验;探究
现在对航空材料的疲劳的研究已经深入到了一定领域,如疲劳裂纹的产生、裂纹的扩展和断裂的特征等。近年来,随着国内外对航空工业材料疲劳问题的更加重视,许多组织专门组建了相关研究机构,并定时组织研讨会,对航空飞机的损伤情况进行调查和维修。我国在对航空材料疲劳问题的研究上,也逐渐加大研究力度,并取得了一定的成果。但是通过对传统试验手段的多次试验,发现过程中试验耗资过大、时间周期过长等问题。在传统的试验手段中,改变思路,在保证试验精度的前提下,对传统试验手段进行简化升级,提高试验机制。
一、载荷谱疲劳试验
航空飞机在飞行过程中,大气中的阵风方向与速度是不断变化的,飞机不同的阵风中飞行时,飞机不同钢结构的载荷程度各不相同。面对复杂多变的自然环境,试验设计只能通过大量的飞行实测数据进行统计和分析,民航运输飞机咋I正常的飞行过程中,随机阵风疲劳载荷谱是严重的情况之一,最大的载荷循环是由地到空在到地的周期,面对最大的载荷循环,飞机结构的疲劳损伤也是最严重的。材料在低于屈服强度循环应力作用下,产生的疲劳过程叫做高周疲劳。根据试验需要,设计不同的应力控制,得出多样数据进行分析。试验中,由于飞机的种类多样性和飞机本身材料的多样化,采用个体代表整体的设计方案,如运输类飞机采用机翼翼面所承受的疲劳载荷试验方案。采用典型任务剖面代表整个试验模型,从不同个剖面的数据推到整架飞机在实际使用过程的情况,制定飞行载荷谱。在试验设计中,将试验运输飞机的飞机部件划分为不同的剖面,在经过多次不同的飞行任务之后,得出载荷次序数据。在试验参数的设计上,需要波形、频率、控制方式、应力均值和失效判断这五个具体参数。载荷谱疲劳试验中,根据载荷谱循环的数据,可以得出不同的载荷谱下循环数量和飞行疲劳的使用,在对疲劳寿命的预测值计算中,部分材料性能足够适用于频繁拉压的航空部件中。在每个地空地的循环飞行任务中,材料的区服强度都在阵风载荷的应力水平之上,因此,造成的疲劳损伤很小。在低于载荷水平之下的情况中,因为没达到材料的疲劳极限,所以不会造成材料的损伤。
二、低周疲劳试验
当载荷水平超过屈服应力时,并且循环寿命短的疲劳过程即为低周疲劳。部分航空材料在实际的使用中,会出现载荷循环未达到极值,但是材料却会失效的情况。材料在过屈服状态下,应变变程会更大。低周循环应变疲劳是对应变和寿命的两者关系进行研究和预测,将总应变幅分解为弹性应变幅和塑形应变幅,找出低周循环应变疲劳的曲线对数坐标关系,可以得出套型应变幅和塑形应变幅与寿命的线性关系。低周疲劳的循环周次短,试验根据具体情况,设置不同的波形类型。在试验的流程中,要提前准备好试样,记录试样尺寸,在试验机上装夹钢试样,安装引伸计,设置测试方法,测试结束后取下引伸计并读取试验数据,根据试验数据绘制疲劳曲线和滞后环曲线。试验设计的参数同样需要波形、频率、控制方式、应变均值、应变幅值、失效判据等七个具体参数数据。在低周疲劳试验中,循环周次的变化会带来材料弹性模量的变化,在疲劳寿命预测模型中,拉伸迟滞能损伤函数法的显示中,当疲劳寿命无限接近于无穷大时,迟滞能参量为零。
三、显微硬度试验
在进行疲劳试验后,对疲劳试验进行取样,通过对不同应变幅疲劳对材料硬度变化产生的影响观察,叫显微硬度测试。近表面的裂纹起源受到循环载荷,硬度值上升,近截面的中心部位受到的循环载荷少于起源区,硬度值升高不明显。在试验流程中,选择合适的点作为零点,在低倍物镜下观察压痕的生成,再转到高倍物镜下记录压痕尺寸,中心方向的硬度测试点的取样要间隔相等的距离。显微硬度试验中,材料会因为疲劳产生的循环加载,造成力学性能分布不均匀的情况,在疲劳断口处,会更加明显。通过对材料断口硬度值的变化,可以推导出材料断口硬度值,隨着距离变化而变化。经过显微硬度试样,在观察大量的试验数据后,可以很明显地看出,断口硬度指随着径向距离成正比关系,而在相邻位置的断口,硬度变化则不大。断口硬度值和侧面位置的关系,因为疲劳产生的循环加载会对当前区域起到强化作用,在取样后发现,疲劳加载对断口在侧面位置上的影响并不大。低周疲劳会引起断口附近的材料发生强化现象,原始材料在经过疲劳实验过程后,硬度值与初始状态比对时,会明显升高。
四、结束语
通过对航空材料进行不同方式的疲劳损伤试验后,不同应变幅值疲劳断口径向硬度值沿着近中心的位置至边缘位置,呈现波动增大的趋势;不同应变幅值疲劳断口轴向硬度值与距断口的距离变化关系不大。在不同的疲劳损伤试验后,建立损伤失效试验和使用寿命的数学模型,对现有的理论和方法进行不断地深入研究,不断完善现有数据模型,为我国航空科学研究贡献力量,推动我国航空事业的发展。
五、参考文献
[1]郑雅婷. 航空材料疲劳寿命模拟预测研究[D].中国民航大学,2014.
[2]刘治国,刘旭,陈川.某新型航空材料加速腐蚀当量关系试验研究[J].装备环境工程,2020,17(02):20-24.
[3]高春瑾. 航空材料热疲劳—蠕变交互作用模型的研究[D].中国民航大学,2015.
[4]范桂彬,谭菊芬,李四清,邓继雄,沈飚.由国外先进材料的解剖分析看我国航空材料的冶金质量[J].材料工程,1999(11):41-44.