6005A焊接件在给定疲劳寿命下中值疲劳强度的研究

那熙君，王 宇，李恩波，秦世龙，李泽越

(辽宁忠旺集团有限公司，辽宁 辽阳111003)

疲劳是一种隐藏的破坏形式，疲劳破坏时时刻刻都在进行，并且几乎不可能避免。金属、混凝土、橡胶和复合材料等各种材料，在载荷的反复作用下，都会出现疲劳现象[1]。铝合金在使用过程中有时会出现难以检测和预防的疲劳断裂，疲劳断裂是由于材料经过交变应力和应变的长期作用，表面或内部产生微观裂纹，累积损伤使裂纹达到临界尺寸后，构件在无法承受某一次应力时突然断裂[2]。材料的化学成分，热处理状态，外部的表面状态，会存在着微小的差别。即使实验控制的十分精准，疲劳测试结果也会有很大的差异[3]，说明疲劳失效具有随机性。中值疲劳强度是指疲劳强度达到了一个中等水平，如果构件继续运行，将会达到疲劳极限，导致出现断裂。测定焊接件的中值疲劳强度，对材料研制、机械设计、工艺和质量控制、产品性能评估和失效分析等具有重要的意义。

1 实验材料和方法

1.1 实验材料

合金牌号为6005A热影响区铝型材，人工时效T6状态，型材断面如图1所示，纵向取样，壁厚13.5mm。化学成分和机械性能见表1和表2。

图1 型材断面

表1 化学成分(质量分数，%)

表2 热影响区拉伸性能

2.2 试样形状与尺寸

采用宽度为25mm的矩形等截面疲劳试样，使焊缝位于试样工作部分的中间位置，应力集中系数Kt=1，去除焊缝部位的余高，使试样厚度与母材壁厚尽量相同，试样两侧面经铣削加工和抛光，加工表面粗糙度不大于0.4μm。使用千分尺和工具显微镜分别测量式样的厚度和宽度。

2.3 试验条件

采用德国Zwick Vibrophore电磁共振式高频疲劳试验机。规定试验应力水平，按升降法的原则，选择相应的最大应力σmax，循环次数N0=1×107，应力比分别选择0.1和0.5。

2.4 试验方法

如果试验的目的只需要求出疲劳极限，则按(1)式计算：

(1)

式中，n为有效试验总次数；m为升降应力水平级数；σi为第i级应力水平；Vi为第i级应力水平下的试验次数。

如果试验需要求出中值疲劳强度和标准差，进而确定置信度，则应将相邻应力水平的各数据点按一个破坏点(×)和一个未破坏点(○)配成一对，如果升降图是封闭的，则所有试验点都能配成对子，这时中值疲劳强度的估计量按(2)式计算，(1)式和(2)式计算的结果相同。

(2)

子样标准差按(3)式计算：

(3)

(4)

式中，kp为单侧误差限系数，kp值可查表得出，角标P为存活率。

3 实验结果

3.1 试验原始数据

规定循环次数N0=1×107，应力比为0.1和应力比为0.5的试验数据分别列入表3和表4中，并用有效数据点绘制升降图，如图2和图3所示。

表3 应力比为0.1升降法试验结果

表4 应力比为0.5的升降法试验结果

3.2 试验数据处理

×-破坏；○-未破坏

×-破坏；○-未破坏

表5 应力比为0.1 计算对子应力

表6 应力比为0.5计算对子应力

4 实验结果分析

(1)应力水平和应力台阶的选择。以热影响区试件规定塑性延伸强度平均值的60%作为预计的中值疲劳强度，约为77MPa。相邻两级应力水平的应力增量应为预计疲劳强度的3%～5%。取预计疲劳强度的4%，即约为3MPa。

在理想状态下，如试样的化学成分、热处理制度、加工形状等都相同的试验条件下，假设所采用的应力水平相同，做应力比为0.1的试样要比做0.5应力比的试样先失效。这是因为，应力比为0.1的应力幅，比应力比为0.5的幅大。说明在其他条件都相同的条件下，应力幅越大，试样越容易失效。也就是说，在给定的疲劳寿命下，应力比为0.1的疲劳强度要小于应力比为0.5的疲劳强度。此实验结果与前人所研究的一至，应力比对材料疲劳特性的研究平均应力在低周和高周范围内对材料疲劳性能的影响的相关试验数据和相应的理论分析模型表明：平均应力的增加(增大应力比)会降低材料的疲劳寿命[6]。因此我们测应力比为0.5的中值疲劳强度时，适当高估起始的应力水平，选择应力水平为120MPa，应力台阶选择5MPa。

表7 升降法试验数据处理结果

(3)升降法试验数据的统计分析方法[4]。在不同应力水平下，采用升降法来测定疲劳强度下极限，对试样经过指定疲劳应力循环次数N次后是否失效进行统计分析。将应力水平从小到大进行排序，So≤ S1≤S2≤…≤Si，其中，i是应力水平数。指定事件数为fi，应力台阶为d。疲劳强度的统计分析按照式(5)、式(6)计算。

(5)

(6)

(7)

表8 应力比为0.1的实验数据分析

表9 应力比为0.5的实验数据分析

表10 应力比为0.1和0.5的数据对比

本文所选材料，根据EN 13981-1:2003要求，循环周次为107，置信度为97.5%时，应力比为0.1时，最大应力为55MPa；应力比为0.5时，最大应力为80MPa。从所测疲劳强度值结果变化，可以看出置信度高，所要求的最大应力也会变高。

5 结论

(1)在相同条件下，应力比对中值疲劳强度影响较大。应力比为0.1的中值疲劳强度比应力比为0.5的小。应力比一定时，随着最大应力的增加，平均应力和应力幅也会相应的增大，试样发生失效的概率也会相应的增大。

(2)应力比为0.5的这组实验，所选择的应力水平和应力台阶比较合理。升降法测试中应力增量的选择对实验结果的置信度和测试时间有一定影响[7]。由于做疲劳试验所用的时间较长，在利用升降法时，选择合适的应力水平和应力台阶，非常重要。