[发明专利]一种基于红外热成像预测镁合金构件疲劳极限的系统和方法

说明书

技术领域

本发明一种基于红外热成像预测镁合金构件疲劳极限的系统和方法，涉及镁合金及其焊接结构疲劳危险点的测量及疲劳极限预测的应用领域。

背景技术

镁是一种优良的有色金属，其密度1.74g/cm²，我国是世界上镁储量最丰富的国家。

镁合金是最轻的金属结构材料，具有密度低、比强度和比刚度高、阻尼减震性好、机加工性能优良、零件尺寸稳定、易回收等特点，在航空、航天、汽车等行业具有潜在的应用价值。目前镁合金主要是以铸造镁合金和压铸镁合金为主，其最具发展前途的应用领域是“陆、海、空、天”交通运载装备，这些结构都离不开焊接技术的支持，都承受疲劳载荷的作用。

疲劳断裂是金属材料及其焊接结构失效的一种主要形式，它发生在承受交变或脉动应变的结构中，一般来说，对应于疲劳破坏时的最大应力要低于材料的抗拉强度，甚至低于材料的屈服点。统计资料表明，在焊接结构的断裂失效中，有70％～90％的事故是由于焊接接头的疲劳断裂造成的，而大多数结构都采用焊接结构，一旦发生疲劳破坏事故，往往给人们的生命财产带来灾难性的损失和痛苦。

目前镁合金及其焊接结构的疲劳性能的确定主要是通过试验的手段进行，通常金属材料疲劳性能测量方法分为常规疲劳性能测量方法和升降法两种。钢铁材料疲劳试验需要经过多个试件进行上百万周次的循环试验，其中升降法一种就需要13个以上的试件。而有色金属如镁合金由于其特殊的组织结构，没有明显的疲劳极限，试验循环次数更可达上千万次。不仅耗费大量的人力、物力，而且浪费大量的时间，需要几天甚至几个月的时间才可以对一种材料的疲劳寿命进行评估和预测，一般取循环次数为10⁷时的载荷为镁合金的疲劳极限及条件疲劳极限。

发明内容

本发明的目的是针对背景技术的状况，使用红外热成像设备，利用材料及其构件本身在承受动态载荷的过程中会有热量释放的原理，在载荷大于疲劳极限疲劳强度时，材料的非弹性效应所引起的不可逆热现象，它所产生的能量绝大部分会以热耗散的形式释放出去，裂纹扩展过程中由于裂尖的能量快速释放，导致裂尖温度快速上升。依据其红外温度场特征信息，获得焊接结构在疲劳载荷作用下的变形过程中能量变化特征，建立以温度表征方式的镁合金及其焊接构件疲劳寿命预测方法。实际镁合金构件受力复杂，依据构件受力方式(包括载荷、频率等)，前期进行试验，得出材料的疲劳性能与表面温度关系，进而预测在役镁合金焊接结构疲劳裂纹的萌生点、焊接接头的疲劳极限该方法为镁合金及其焊接接头的安全应用提供了保证。

针对实际应用的镁合金构件特点，本发明前期使用的材料为AZ31B镁合金材料及其焊接接头；焊接接头包括对接接头、横向十字接头、侧面连接接头和纵向非承载十字接头，对镁合金及其焊接接头在疲劳载荷作用下产生裂纹后裂纹尖端的温度变化特征信息进行测量，疲劳试件主体的尺寸均为300mm×90mm×10mm；将试验中各种结构试件进行红外疲劳试验得出的疲劳极限等结果，进一步应用到实际服役的镁合金构件的疲劳性能预测。

一种基于红外热成像预测镁合金构件疲劳极限的系统和方法，包括：疲劳试验机夹具(1)，用于夹持疲劳试件；疲劳试件(2)包括镁合金母材和焊接接头试件，测试时在其表面涂一层发射率大于0.95的黑色亚光漆；疲劳试验控制系统(3)，控制试验的应力、加载频率；疲劳试验系统(4)对镁合金母材和焊接接头试件进行疲劳试验，试验得出不同应力下试件循环次数，进而拟合最大应力与循环次数关系曲线S-N曲线，得出镁合金疲劳强度及疲劳极限；红外测温系统(8)，在疲劳试验试验过程中，红外测温系统(8)得到疲劳试件(2)表面温度变化曲线，记录疲劳试件(2)在疲劳过程中的温度变化数据；综合分析系统(5)，应用origin软件将所述得出的镁合金疲劳强度及疲劳极限，与常规疲劳试验得出的疲劳极限进行对比，判断其测量准确性；采用该系统对镁合金构件的危险点和疲劳强度进行预测。

利用上述系统预测镁合金构件疲劳极限的方法，包括以下步骤：

步骤1)：选取镁合金母材及焊接接头试件分别在镁合金疲劳极限值以上和疲劳极限值以下的不同应力下进行试验并测温，循环次数大于10⁷次，得到镁合金母材及焊接接头的疲劳极限；

步骤2)：分别对镁合金母材及焊接接头试件在试验疲劳极限值以上和疲劳极限值以下不同应力时的升温值利用origin软件进行线性拟合，利用升温值拟合镁合金母材及焊接接头的疲劳极限；

步骤3)：将步骤1)和步骤2)得到的疲劳强度进行对比，分析温升值确定镁合金疲劳强度的准确性；