[发明专利]一种基于声音特征信息预测镁合金试样疲劳极限的方法及系统

说明书

技术领域

本发明一种基于声音特征信息预测镁合金试样疲劳极限的方法及系统，属于镁合金材料力学性能的技术领域。具体涉及一种借助于声发射分析仪，对镁合金试样加载，同时用探头采集试验过程中的声音特征信号，通过分析声音特征信息的能量和加载载荷的拟合直线的斜率变化快速测定镁合金试样的疲劳极限的方法的技术方案。

背景技术

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。疲劳断裂是金属材料及其焊接结构失效的一种主要形式，统计资料表明，在焊接结构的断裂失效中，70%~90%的事故是由于疲劳断裂造成的。

目前镁合金及其焊接结构疲劳性能的测试，主要是通过试验手段如采用升降法试验获得疲劳性能，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，而且试验过程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。声发射作为一种检测手段，越来越多的应用到试样的性能检测和评定方面，通过声发射快速测定镁合金的疲劳极限可以解决耗时耗力的问题。

最近，采用试样表面温度演化进行镁合金疲劳寿命快速检测的专利：及一种基于镁合金试样表面温度特征的疲劳分析方法（专利号：ZL201410263559.3）被提出，这种方法利用红外热像仪监测镁合金在疲劳试验过程中试样表面的温度变化，对比不同应力水平下试样表面及不同截面上的温升值，进而快速确定镁合金的疲劳极限。在一定程度上节省了试验时间。然而，这两种方法需要采集试样表面的温度变化，只适用于空气中的测量，对于内部缺陷监测不敏感。

发明内容

本发明一种基于声音特征信息预测镁合金试样疲劳极限的方法及系统的目的在于：针对现有技术的状况，公开一种使用声发射数据采集设备，利用镁合金材料及其试样在承受动载荷的过程中，弹性波释放产生相应声音特征信号，通过分析试样承受疲劳载荷过程中的不可逆变形与声发射信号的关系，快速预测镁合金试样的疲劳极限的方法及试验系统的技术方案。

本发明一种基于声音特征信息预测镁合金试样疲劳极限的方法，其特征是一种通过采集镁合金试样承受疲劳载荷过程中内部存在的损伤，所伴随的弹性波释放，产生相应的声音特征信号，经过分析相应的试验得到试样内部声发射信号与循环次数以及载荷的关系，对材料加工硬化过程中的声发射信号的能量值和疲劳载荷进行线性拟合，根据直线斜率的变化预测镁合金试样疲劳极限的方法，该方法的具体实施步骤如下：

一、试样加工及试验设备

(1) 试样加工

本试验中使用的镁合金疲劳试样的加工均采用机械加工方法成形。

(2) 试验设备

疲劳试验所用设备为SDS100电液伺服疲劳试验机。试验机最大静态试验力为±100kN；最大动态试验力为 ±100 kN；测量精度在有效范围为满量程的4%-100%之间；载荷≤±3%(动态)或≤±1.0%(静态)；夹头位移行程为±50mm；频率范围为0.01~50Hz。试验所采用的载荷控制方式有位移、负荷、变形三种形式。

(3) 声发射数据采集系统为北京软岛公司生产的DS5-16B声发射仪记录试验过程中的声发射信号，试验在室温空气介质中进行。

(4) 试验参数

疲劳试验的循环特征系数为0.1谐振频率为20Hz，载荷范围为50-180MPa，镁合金板材厚度为5mm，这种方法可以实现镁合金及其焊接接头疲劳寿命的预测。

二、试验过程

试验设备分为疲劳试验系统4和声发射系统8两部分，疲劳试验系统4包括镁合金疲劳试样夹具1、镁合金疲劳试样2和疲劳试验控制装置3，声发射系统8包括声发射探头5、声发射信号接收系统6和声发射信号处理系统7，试验时两部分同时工作。

① 启动疲劳试验系统4进入电脑控制界面；

② 调整上、下两个疲劳夹具1的方向，使试样测温面正对试验人员，固定好疲劳夹具1；

③ 将采集声发射信号的探头固定在试样2上，随后将疲劳试样2装入夹具内，锁紧；

④ 设置相关参数：试验载荷50-180 MPa、应力比0.1、试验电压380 V保护设置位移±15 mm。

⑤ 打开声发射系统8，包括软件系统和硬件系统；

⑥ 设置声发射数据采集系统6（包括数据彩集模块），设置包括：采样率、通道号、HDT、HLT、PDT等。