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基于红外热成像镁合金材料疲劳裂纹扩展的试验研究

魏凌霄  
【摘要】:镁合金是目前在工程应用中密度最低的金属结构材料,具有高比强、高比模、高阻尼以及优异的铸造、切削加工性能和易回收等优点,在汽车、航空航天、国防等领域具有重要的应用价值和广阔的应用前景,但其疲劳性能不足已经影响了其进一步的广泛应用。红外热成像技术是当前快速发展的一种新型检测技术,具有非接触性、高灵敏度、高分辨率、显示直观等一系列优点,而且这项技术已经应用到材料疲劳性能的研究之中。应用红外热成像技术来研究镁合金材料的疲劳性能具有十分重要的意义。 本文利用红外热成像技术,分别对平行于挤压方向(ED)和垂直于挤压方向(TD)的AZ31B镁合金板材的疲劳裂纹扩展过程中试件表面温度的变化情况进行监测,分析疲劳裂纹尖端温升值与裂纹长度的对应关系,试件表面温度分布差异与裂纹扩展趋势的关系,并分别对其裂纹扩展机理进行了研究,将两个方向的疲劳裂纹扩展过程及其机理进行比较分析。 疲劳裂纹扩展的试验结果表明,在疲劳裂纹扩展过程中,镁合金板材表面温度变化经过一个升温、降温的过程,在稳定扩展阶段,温度变化不大,在快速扩展阶段,温度呈明显上升趋势。平行于挤压方向的AZ31B镁合金板材的三组试件最高温升值分别为A1试件10.89℃,A2试件15.19℃,A3试件12.37℃;垂直于挤压方向的AZ31B镁合金板材的四组试件最高温升值分别为B1试件14.89℃,B2试件17.47℃,B3试件16.86℃,B4试件15.30℃。 分别对其疲劳裂纹扩展速率进行测定,da/dN-△K曲线的Paris公式常量C和n如下:平行于挤压方向的AZ31B镁合金板材在3.7△K≤5.5MPa·m1/2的范围内为3.66×10-8和3.67,在5.5△K6.1MPa·m1/2范围内为1.00×10-21和22.1,在6.1△K≤12.0MPa·m1/2范围内为1.57×10-5和1.60;垂直于挤压方向的AZ31B镁合金板材在5.7△K7.5MPa·m1/2范围内为9.71×10-13和5.17,在7.5AK≤12.6MPa·m1/2范围内为2.37×10-7和3.35。 研究表明,疲劳试件表面的最高温度区域与材料的疲劳损伤机制相关。该区域对应材料的应力集中区,是疲劳微裂纹形成与扩展的部位,温度变化与试件的最终断面相吻合。在裂纹扩展过程中,裂纹尖端始终是整个镁合金板材表面的温度最高处,通过红外热像图可以看到裂纹扩展的走向以及趋势。


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