基于损伤容限设计的金属材料力学性能评价方法

黄 睿

（太原科技大学应用科学学院 山西 太原 030024）

1 引言

金属材料在航空、机械等领域，都显示出巨大应用前景，但金属材料在产业化和实用化过程中，易受材料力学性能、以及使用者对其认识不够等因素的制约，因此，评价金属材料力学性能，具有重要意义[1]。硬度作为重要评价指标，明确金属材料硬度的十级分级，把金属材料抵抗刻划的能力作为衡量硬度的依据，同时令金属材料受外界载荷作用，引起不均匀塑性变形，测量材料刚度和尺寸稳定性，根据硬度、抗脆断能力、抗疲劳强度，评价金属材料力学性能，但该方法实施过程中，材料内部残余应力不稳定，力学性能测量值偏差较大[2]。文献[3]采用超声疲劳试验技术，充分考虑微动损伤的影响，分析金属材料的高周疲劳性能，在旋转弯曲加载下，扫描疲劳断口，获得金属材料疲劳曲线，准确反映材料疲劳极限，对材料力学性能进行评价，但该方法实测数据的时间变化速率较慢，力学性能测量值偏差同样较大。针对这一问题，结合以上理论，此次提出基于损伤容限设计的金属材料力学性能评价方法，希望得出更加准确的评价结果。

2 金属材料力学性能评价方法设计

损伤容限设计的技术目标是，保证含有裂纹的结构在规定的未修使用期内，其承载能力不小于在这个期间可能遇到的最大载荷，从而使机体不会由于裂纹存在而发生灾难性破坏，保证机体结构安全。在考虑损伤容限的状态下评价金属材料的力学性能，更有助于降低偏差。

2.1 动态冲击金属材料

设计动态冲击压痕装置，动态冲击金属材料，造成材料损伤。利用HSYU826型精密硬脆性材料切割机，对金属材料进行切割，把切割后的样品固定在支撑架上，支承架应有保护层材料，动态冲击样品，在样品表面上留下一定尺寸的残余压痕痕迹[4]。动态冲击压痕装置采用击发器，发射一定速度的氮化硅陶瓷球，对金属材料的样品表面造成冲击，在样品上残留一定压痕形貌、几何尺寸的压痕痕迹。当冲击样品时的最大冲击力值不能精确计算时，则采用锥形陶瓷压杆滑动装置，把动态力传感器与该装置的碳化硅锥形冲头相连，用碳化硅锥形冲头冲击材料样品，在冲击过程中，利用动态力传感器的数据线，把冲击力-时间关系曲线，传输给滑动装置的大型动态处理模块[5]。采用动态力传感器测得力值、冲击载荷信号、时间信号，并对信号进行放大，实时分析相应的动态数据，令设备与DASP-ET工程版软件相配套，实时监控、分析、处理和保存放大后的信号，至此完成金属材料的动态冲击。

2.2 获取金属材料损伤容限力学响应

改变金属材料的冲击力，比较不同载荷下金属材料的动态响应，获取材料损伤容限的力学行为响应。选择的仪器设备如下：YSHG8368型精密研磨抛光机，HSY7396型超声波清洗机，FDJ739G63型光学显微镜，HXD—1000TMC/LCD型自动转塔显微硬度计，CMT5105型微机控制电子万能试验机，FSY638H632型双通道声发射仪。

抛光并清洗材料样品，对样品施加冲击载荷，设置的测试参数见表1。

表1 样品力学响应测试参数

当样品出现裂纹时，卸除载荷，测量压痕的几何尺寸、厚度大小、接触面积等，然后继续施加载荷，保持相同的载荷增量，直至样品裂痕到达损伤容限。纵向比较不同冲击载荷下，样品的力学行为响应，在统计的测量数据中，寻找样品损伤容限下的最大载荷值，分析最大载荷值相应的力学响应，包括弹性模量、硬度、强度。至此完成金属材料损伤容限力学响应的获取。

2.3 评价金属材料力学性能

计算损伤容限下的弹性模量、硬度、强度，评价金属材料力学性能。把样品放置在显微硬度计的载物台上，分析样品力学行为的不同响应，根据等效面积法则和材料体系硬度，计算材料硬度值H，公式为：

其中A为锥形冲头与材料的接触面积，L为锥形冲头接触深度，P为施加载荷值。利用电子万能试验机，测量不同冲击载荷下的样品挠度值，测量方法采用三点弯曲试验法，再利用敏感位移测试仪，对挠度变化进行测量，取多次测量平均值，用于材料弹性模量的评价。根据不同载荷下的材料力学行为响应，比较样品刚度变化，计算样品弹性模量J，公式为：

其中I为样品测量挠度，K为锥形冲头接触宽度，为样品动态冲击的惯性矩。通过发射装置，对样品开裂时的临界载荷值进行捕捉，采用三点弯曲试验方法，对材料强度值进行测量。样品强度U计算公式为：

其中O为三点弯曲试验跨距，y为样品冲击应力到中性轴的距离。损伤容限的硬度值H、弹性模量J、强度U越大，表明材料的裂纹扩展寿命和疲劳寿命越长，金属材料力学性能的评价等级就越高。至此完成金属材料力学性能的评价，实现基于损伤容限设计的金属材料力学性能评价方法设计。

3 实验论证分析

将此次评价方法，与常规金属材料力学性能评价方法，进行对比实验，应用两组方法评价金属材料力学性能，比较力学响应测量值与标准值的偏差大小。

3.1 实验准备

力学性能评价的金属材料，选取铝合金材料，该材料为PM法制备的Al-Cu基复合材料和Al-Cu-Mg基复合材料，金属材料力学性能为已知的标准值，在厚度分别为100 mm的铝合金复合材料上，切下尺寸为10×10×30 mm³的矩形样品，将Al-Cu-Mg材料记为样品I，Al-Cu材料记为样品II。

3.2 实验结果

两组方法分别在不同的实验温度下，测量样品I和样品II损伤极限下的弹性模量，比较测量值和标准值的偏差大小，第一组实验完成后，两组方法分别测量样品I和样品II损伤极限下的硬度，比较测量值和标准值的偏差大小，测试结果见表2。

表2 弹性模量测量偏差对比结果

由表2可知，针对样品I的Al-Cu-Mg材料，设计方法测量值与标准值更加吻合，弹性模量平均测量偏差为1.96 GPa，常规方法平均测量偏差为3.22 GPa，相比常规方法，设计方法弹性模量测量偏差减小了1.26 GPa，针对样品II的Al-Cu材料，设计方法弹性模量的平均测量偏差为2.73 GPa，常规方法平均测量偏差为4.55 GPa，相比常规方法，设计方法弹性模量测量偏差减小了1.82 GPa。

针对样品I的Al-Cu-Mg材料，设计方法硬度平均测量偏差为2.02 GPa，常规方法平均测量偏差为3.9 GPa，相比常规方法，设计方法硬度测量偏差减小了1.88 GPa，针对样品II的Al-Cu材料，设计方法硬度平均测量偏差为1.92 GPa，常规方法平均测量偏差为4.09 GPa，相比常规方法，设计方法硬度测量偏差减小了2.17 GPa。综上所述，设计方法相比常规方法，材料力学响应测量值更加贴近标准值，充分保证了力学性能测量数据的精确度。

4 结语

此次设计方法充分发挥了损伤容限设计的技术优势，提高了力学性能测量值的准确度，评价结果更加可靠。但此次研究仍存在一定不足，在今后的研究中，会对非常规条件下的材料力学性能进行测量，令评价结果具有更高的实用价值。