一種基于比重測(cè)量的金屬材料疲勞損傷程度確定方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明涉及一種基于比重測(cè)量的金屬材料疲勞損傷程度確定方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 金屬塑性損傷的研究歷史，如果從前蘇聯(lián)科學(xué)家Kachanov于1958年提出"連續(xù)性 因子"和"有效應(yīng)力"算起，至今僅半個(gè)多世紀(jì)的時(shí)間。雖然近年來(lái)獲得了較快的發(fā)展，如提 出了金屬塑性損傷的彈模測(cè)試法、超聲波法、電阻測(cè)試法及微觀硬度法等等，并將損傷力學(xué) 運(yùn)用到核反應(yīng)堆的設(shè)計(jì)建造、金屬大變形加工中的成形極限和預(yù)估工程構(gòu)件的使用壽命等 等。但也有很對(duì)文獻(xiàn)對(duì)金屬塑性損傷的存在提出質(zhì)疑?？梢?，損傷力學(xué)仍處于一個(gè)發(fā)展階 段，其主要原因在于損傷力學(xué)的難度較大，設(shè)備精度要求很高。
[0003] 損傷是材料結(jié)構(gòu)組織在外界因素作用下發(fā)生的力學(xué)性能劣化并導(dǎo)致體積單元破 壞的現(xiàn)象，它是力學(xué)學(xué)科和材料學(xué)科之間的一個(gè)交叉科學(xué)命題。金屬材料是至今為止人們 在日常的生產(chǎn)和生活中應(yīng)用極為廣泛的材料之一。由金屬材料制造的構(gòu)件，在它退役之前， 無(wú)疑處于反復(fù)加、卸載（即工作-休息-工作_···)的循環(huán)載荷作用下，勢(shì)必會(huì)受到疲勞損傷， 其材料內(nèi)部極有可能產(chǎn)生微裂紋、微孔洞等材質(zhì)疏松等劣化現(xiàn)象。因而開展金屬材料疲勞 損傷的實(shí)驗(yàn)研究，既有重要的理論意義，又有廣闊的應(yīng)用價(jià)值。
[0004] 另外，對(duì)于已經(jīng)使用的機(jī)械設(shè)備，其關(guān)鍵受力部件的損傷如何，需要評(píng)估和檢測(cè)， 而現(xiàn)有的金屬材料疲勞損傷程度確定方法步驟復(fù)雜，且檢測(cè)效果不理想。
[0005] 如公開號(hào)為CN104634879A的中國(guó)發(fā)明專利公開了一種金屬材料疲勞加載試驗(yàn)與 疲勞損傷無(wú)損檢測(cè)分析方法【申請(qǐng)?zhí)枮?01510059474.8】;該方法同時(shí)屬于聲發(fā)射技術(shù)領(lǐng)域 和材料智能表征領(lǐng)域，該方法包括搭載聲發(fā)射儀的疲勞試驗(yàn)與疲勞損傷無(wú)損檢測(cè)分析兩部 分，搭載聲發(fā)射儀的疲勞試驗(yàn)包括材料試樣疲勞加載、搭載聲發(fā)射系統(tǒng)和聲發(fā)射信號(hào)采集， 疲勞損傷無(wú)損檢測(cè)分析包括對(duì)疲勞過程聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行特征提取、損傷識(shí)別和安全預(yù)警。 該方法將聲發(fā)射技術(shù)與傳統(tǒng)疲勞試驗(yàn)相結(jié)合，利用模式識(shí)別、統(tǒng)計(jì)分析等方法，確定金屬材 料疲勞過程中聲發(fā)射信號(hào)的特征并做出損傷識(shí)別與安全預(yù)警。該方法的步驟較為復(fù)雜;該 方法的核心是對(duì)聲音信號(hào)進(jìn)行模式識(shí)別，這就不可避免地帶來(lái)建模誤差，因此，能否反應(yīng)材 料的真實(shí)損傷程度還有存疑。
[0006] 另外，公開號(hào)為103323351A的中國(guó)專利公開了一種懸臂彎曲加載金屬材料疲勞損 傷的試驗(yàn)測(cè)量方法【申請(qǐng)?zhí)枮?01310189936.9】;該方法基于金屬材料發(fā)生疲勞損傷時(shí)其施 力點(diǎn)位移特征量必然發(fā)生變化的事實(shí)，并結(jié)合材料疲勞損傷變量的數(shù)學(xué)定義通過試驗(yàn)建立 光滑板狀試樣疲勞損傷量和施力點(diǎn)位移特征量之間的函數(shù)關(guān)系，在光滑板狀試樣設(shè)置約束 面（1)、缺口（2)、懸臂區(qū)（3)以及循環(huán)載荷P的施力點(diǎn)（4)，從而可以時(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)光滑板狀試樣 的疲勞損傷量，再和光滑板狀試樣的疲勞損傷量臨界值進(jìn)行對(duì)比，從而對(duì)金屬材料或金屬 構(gòu)件的安全可靠性服役進(jìn)行評(píng)估。首先，該方法研究的是金屬材料的懸臂彎曲，而非金屬材 料的拉伸，而且，該方法也無(wú)法應(yīng)用于金屬材料拉伸的研究中，再者，該方法核心在于通過 缺口處的面積變化量來(lái)確定損傷，面積變化量是指初始面積與實(shí)際承載面積的差值;面積 的測(cè)量較為困難，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)的難度較大。
[0007] 因此，有必要設(shè)計(jì)一種新型的金屬材料疲勞損傷程度確定方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種基于比重測(cè)量的金屬材料疲勞損傷程度 確定方法，該基于比重測(cè)量的金屬材料疲勞損傷程度確定方法可靠性高，易于實(shí)施。
[0009] 發(fā)明的技術(shù)解決方案如下：
[0010] -種基于比重測(cè)量的金屬材料疲勞損傷程度確定方法，包括以下步驟：
[0011] 步驟1:測(cè)量金屬材料損傷前的密度P和損傷后的密度為#;
[0012] 步驟2:按以下公式計(jì)算金屬材料的疲勞損傷值：
[0013]
其中〇為金屬材料的疲勞損傷值。
[0014]所述的步驟1包括以下子步驟：
[0015]步驟1):將未經(jīng)損傷的金屬材料加工為圓柱形試樣，記為試樣So;將經(jīng)過損傷的金 屬材料加工為圓柱形試樣，記為試樣Si;
[0016] 步驟2):測(cè)量試樣So的質(zhì)量mo和體積Vo，測(cè)量試樣Si的質(zhì)量mi和體積Vi;
[0017]從而： mr
[0018]計(jì)算金屬材料損傷前的密度ρ= < ;
[0019]計(jì)算金屬材料損傷后的密度= ^ =
[0020] 所述的試樣Si和試樣S2均為Φ2XL2規(guī)格的圓柱體試樣：圓柱直徑為Φ2,圓柱長(zhǎng)度 為L(zhǎng)2;Φ2取值為4~6mm;L2的取值為18-22mm【優(yōu)選為Φ5X20規(guī)格的圓柱體試樣：圓柱直徑 為5mm，圓柱長(zhǎng)度為20mm?！?br>[0021] 所述的試樣&和試樣&的表面光潔度不低于V7,尺寸公差為±0.02mm。
[0022] 采用精度為0.lmg的稱重儀器測(cè)量試樣So和試樣&的質(zhì)量。
[0023] 選用梅特勒UMT2型電子天平測(cè)量試樣So和試樣質(zhì)量。
[0024] 步驟1.1:將待試驗(yàn)金屬材料加工成N個(gè)標(biāo)準(zhǔn)試樣，所述的標(biāo)準(zhǔn)試樣為直徑Φ1和長(zhǎng) 度為L(zhǎng)的圓柱形試樣;N2 5; (^*8-12111111^為90-110mm;【這里的直徑長(zhǎng)度為L(zhǎng)的圓柱形 試樣是指試件的中段的直徑為Φ:，中段的長(zhǎng)度為L(zhǎng)】
[0025]步驟1.2:將N個(gè)標(biāo)準(zhǔn)試樣在拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行不同程度的載荷試驗(yàn)；
[0026]使得該N個(gè)試樣產(chǎn)生拉伸形變；
[0027]步驟1.3:
[0028]將未經(jīng)歷加、卸載實(shí)驗(yàn)的原始試樣加工為φ2XL2規(guī)格的圓柱體試樣，即試樣So;
[0029]將經(jīng)歷了加、卸載實(shí)驗(yàn)的N個(gè)試樣的頸縮處截取一段，分別加工為(i>2XLdl格的圓 柱體試樣，即N個(gè)試樣Si;圓柱體試樣的直徑為Φ2，圓柱體試樣的長(zhǎng)度為L(zhǎng)2，Φ2取值為4~ 6mm;L2的取值為8-12mm;
[0030] 所有的試樣SjPSo均具有相同的大小規(guī)格【即在誤差允許范圍內(nèi)直徑均為φ2，長(zhǎng) 度均為L(zhǎng)2】；
[0031] 步驟1.4:
[0032] 采用精度為O.lmg的稱重儀器測(cè)量試樣So的質(zhì)量mQ和試樣Si的質(zhì)量《V，并測(cè)量試 樣So的體積V〇和試樣體積％，i= 1，2，…，Ν;
[0033] 步驟 2:
[0034]因此，按下式計(jì)算第i個(gè)試樣&的金屬材料的疲勞損傷值D1;
[0035]
[0036] 并結(jié)合某一試樣的載荷試驗(yàn)和該試樣對(duì)應(yīng)的01確定(考察)待測(cè)試材料的抗疲勞 損傷性能。
[0037] Φι為 10mm，L為 100mm;N=12;<})2= 5mm;L2 = 20mm;試樣0和試樣 1 的表面光潔度通 常應(yīng)低于尺寸公差為±0.02mm，采用精度為O.lmg的稱重儀器測(cè)量試樣So和試樣 質(zhì)量?！緝?yōu)選45#低碳鋼】
[0038]針對(duì)經(jīng)歷實(shí)際使用已經(jīng)產(chǎn)生實(shí)際形變的金屬材料【比如某一個(gè)機(jī)器設(shè)備的某一部 件，已經(jīng)使用了多年，現(xiàn)拆卸下來(lái)，通過測(cè)量研究其疲勞損傷，從而對(duì)其余的同批次的機(jī)器 的疲勞損傷狀況做一個(gè)評(píng)估和參考(參照），或者是廠家對(duì)某一個(gè)關(guān)鍵部件的材料進(jìn)行抗疲 勞性能進(jìn)行測(cè)試】的疲勞損傷程度確定方法，包括以下步驟：
[0039] 步驟1.1:
[0040] 將未經(jīng)使用且未發(fā)生拉伸形變的原始金屬材料加工為φ2Χ?2規(guī)格的圓柱體試樣， 即試樣So;【比如一個(gè)機(jī)器設(shè)備的某一部件的廠家提供的樣品】將使用后的【即經(jīng)歷了損傷 的】試樣加工為Φ2XL2規(guī)格的圓柱體試樣，即試樣Si;圓柱體試樣的直徑為Φ2，圓柱體試樣 的長(zhǎng)度為L(zhǎng)2,Φ2取值為4~6mm;L2的取值為8-12mm
[0041] 試樣SdPSi具有相同的大小規(guī)格【即在誤差允許范圍內(nèi)直徑均為φ2,長(zhǎng)度均為 L2】；
[0042] 步驟1.2:
[0043] 采用精度為O.lmg的稱重儀器測(cè)量試樣So的質(zhì)量mo和試樣Si的質(zhì)量血;并測(cè)量試樣 So的體積Vo和試樣Si的體積Vi
[0044] 步驟 2:
[0045] 按下式計(jì)算試樣&的金屬材料的疲勞損傷值D;
[0046]
【并結(jié)合該金屬材料所在部件的實(shí)際使用情況和對(duì)應(yīng)的疲勞損傷 值D確定(考察)該部仵的抗疲勞損傷性能】。
[004