冶金材料疲劳损伤测试方法研究

王 琛

（山东省冶金产品质量监督检验站有限公司，山东 济南 250000）

冶金材料是一种特殊的材料被广泛地应用在工业制造中，其具有很多优点，例如节能，环保等，近几年在工业制造中占有显著地位，渐渐成为了某些特定零件的指定制造材料，因此研究人员对其进行了专项研究。近年来随着汽车工业的发展，高性能冶金零件的应用不断增加，为冶金材料的应用提供了更大的市场[1]。在现代工业中，尤其是汽车、动力机械的主要零件，其都会面临荷载超标导致的零件疲劳性改变，会改变零件的形状，特性，造成使用故障，根据调查显示，目前由于零件疲劳损伤引发的故障约占80%，材料疲劳会导致焊接问题，连杆问题甚至更严重破坏性问题。

在这种状况下产生了许多种类的冶金零件，冶金材料的测试技术竞争力大于机械零件的铸造、机械加工等传统技术。该技术已广泛应用于发动机的主要零件配备，其可以减少动态负载中的负载总量[2]，使此时的负载在额定范围内，从而避免了冶金材料的疲劳性损伤，因此，其具有很高的抗疲劳性。本文密切跟踪金属材料的研究热点，结合目前国内外冶金材料疲劳损伤的研究进展，分析了金属材料疲劳损伤发生发展的原因，并设计了新的疲劳损伤测试方法，为后续研究提供参考。

1 冶金材料疲劳损伤测试方法设计

1.1 选取疲劳损伤测试参数

疲劳损伤力学模型用于冶金材料的疲劳测试中的主要问题就是屈服参数太多，很难确定正确数值。但是，虽然该模型的应用曾经受到限制[3]，但其应用前景广阔，近年来国外学者开始研究模型参数的修正。在研究的基础上，本文设计的方法采用了闭模压制成形实验和Green Compact强度实验确定模型中的未知参数，详细描述了各参数的推导过程，并解释了冶金材料中相对密度的关系，从而获取冶金材料疲劳损伤的各个参数。

关于Drucker-Prager 剪切断面的确定，试验中剪切曲线的非线性截面是由剪切疲劳损伤现象引起的，即损伤路径与Drucker-Prager 断面在轴向应力之前相交。基于这个假设，定义了Drucker-Prager的损伤面[4]。通过测量CD 点可以绘制一条直线作为剪切损伤曲线。这种方法虽然看起来很简单，但是在损伤模拟测试中可以找到通过这种验证方法确定的参数，由于损伤路径满足断裂曲线，因此该过程中的损伤现象与实际情况不符。测试参数通常是0.01到0.05之间的常数，本方法的参数设定为0.02。该参数可以通过分析冶金材料表面加载点处的应力状态来确定。加载路径由P-R 空间中的曲线OA 表示，点A 位于测试的疲劳损伤平面上。

1.2 建立冶金材料疲劳损伤的有限元模型

建立冶金材料疲劳有限元模型首先要考虑的因素是建模指数。冶金材料为各向异性材料，单层板经硬化复合，层压板由不同方向排列的单层板层压而成。如何可靠有效地建模和准确定义材料参数是冶金材料疲劳损伤测试面临的主要挑战。

本文设计的方法使用密度修正的Drucker-Prager Cap 有限元模型来模拟冶金Distaloy AE 中的单向成型过程。模型为有限元软件Abaqus提供二次开发平台，用户子程序USDFLD基于Fortran进行语言编写[5]。由于冶金材料参数可以用相对密度的函数来表达，因此在本方法中将冶金材料的相对密度定义为一个场变量，用在每个增量步骤中不断更新当前材料属性，从而计算当前各单元的相对密度，然后根据输入的材料参数更新有限元模型，更新后的参数用于下一时间应力的计算，建立的模型如图1所示。

图1 有限元模型

如图1所示，实验中采用的模具结构的压坯直径d =20 mm，初始相对密度为0.4，冶金材料填充高度为11 mm，最终压坯高度为5 mm，由于压制过程中的惯性力远远小于压制力，因此其对压制过程的影响很小，模拟过程中忽略动力学因素的影响，可作为准静态问题进行分析。由于材料呈对称性，因此只需要取四分之一进行分析，通过等步长位移加载方式进行加载。采用库仑摩擦模型对压制过程中的摩擦现象进行模拟。

1.3 计算冶金材料弹塑性

冶金材料的压制成型过程非常复杂，涉及运动、变形和摩擦等机械作用[6]。然而，由于冶金材料在压制过程中位移变化大，模具与压坯接触分离，因此增加了解决的难度。为解决冶金材料的塑性加工问题，曾采用成形分析方法，但问题往往被简化，假设金属材料是均匀的、理想的刚性塑性体，即弹性变形的影响可以忽略不计，可变形体是平面变形。然而，经过简化，冶金材料弹塑性的计算方法是错误的。因此，要解决这些复杂的非线性问题，必须采用数值计算方法，而非线性求解最有力的工具是有限元法，这也是近年来模拟金属塑性过程的最佳方法。

有限元法的基本思想是通过数学解释将连续问题离散为有限元。有限元是应用于离散系统的标准方法。将连续体划分为有限数量的块，这些块的属性在标准离散系统中进行了描述。经过多年的发展，有限元方法的应用已经从一般的线性问题扩展到非线性和流体动力学领域，基于此，计算冶金材料的弹塑性公式如下（1）所示。

公式（1）中，d代表冶金材料弹塑性，x代表弹性参数，f代表检测到的弹性数值，t代表变化时间。

1.4 实现冶金材料疲劳损伤测试

为了实现冶金材料的疲劳损伤测试，需要对成形工艺进行验证。一方面说明该模型的材料参数及其确定方法准确，另一方面说明Drucker-Prager Cap具有较高的精度。Drucker-Prager Cap计算的结果基本上选用了冶金材料的高密度区域。模拟的压坯平均密度仅在冶金材料的低密度区域随着挤压力的增加而略有增加，基于广义的屈服模型在模拟计算中具有更高的精度。

2 实验

为了检测本文设计的冶金材料疲劳损伤测试方法的性能，利用钢平台疲劳试样检测常规的疲劳测试方法和本文设计的疲劳测试方法的疲劳寿命，实验如下。

2.1 实验准备

选择厚度均为10 mm的3块冶金材料，编号为1、2、3其中1和2试件做对比试验，3试件为标准验证，其疲劳试样结构示意图如图2所示。

图2 疲劳试样结构示意图

如图2所示，设置正弦波频率为15 Hz，单次疲劳时循环次数10万次，对有限幅值的激励信号进行滤波，并输出到激励探头。信号通过待测样品被接收探头接收后，使用BNC三路连接器发射到接收通道分别接收。两个通道通过一个10 MHz 高通滤波器和一个有源信号放大器接收信号，搭建的检测系统如图3所示。

图3 检测结构示意图

如图3所示，检测系统具有两个独立的输入通道，其探头通过医用超声荆合剂荆合在冶金试件薄板上。

2.2 实验结果与讨论

试样1代表本文设计的疲劳损伤测试方法绘制的疲劳寿命曲线，试样2代表常规的疲劳损伤测试方法绘制的疲劳寿命曲线，试样3代表标准疲劳寿命曲线，绘制结果如图4所示。

图4 疲劳寿命曲线

由图4可知，本文设计的疲劳检测方法检测的疲劳寿命数值最贴近实际数值，因此检测性能良好，检测准确性高。

3 结语

综上所述，对冶金材料进行疲劳损伤测试可以准确地测出此时冶金材料的疲劳状态，对其性能分析有重要的影响，因此本文在常规疲劳检测方法的基础上进行优化，设计了新的冶金材料疲劳检测方法，实验证明，该方法检测到的疲劳寿命曲线贴近实际值，因此具有准确性，有一定的应用价值。