材料表面及界面疲劳损伤过程的数值描述研究

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1、首届全国航空航天领域中的力学问题学术研讨会 材料表面及界面疲劳损伤过程的数值描述研究 吴维青 ( 福州大学中心实验室，福州，3 5 0 0 0 2 ) 摘璎：用信导处理的方法，通过三点弯曲疲劳试验，结合电子显微镜的微观观测，分别跟踪了材料的组纵界面 和镀层表面，在循环载荷作用下的疲劳损伤产牛与发展过程。试验结果表明：用信号分析的方法确定的损伤参 数，能够以数字描述的方式定量在线监测材料镀层表面或组织界面的疲劳损伤开裂过程。 关键词：系统分析疲劳损伤 1 、前言 航空工程中的大量构件都承受动态载荷作 用，实践表明最初的疲劳损伤往往发生于构件表 面或组织间的界面。为进一步提高工程构件在使 用过程中

2、的疲劳可靠性，需要对材料的这些早期 疲劳损伤过程进行研究。近年来，人们除了进行 以电子显微镜为手段的定性微观观察研究外， 还尝试用各种测量方法来对材料表面的疲劳损伤 进行定量的描述，经报道的有利用试样表面因疲 劳变形而使反射激光强度产生变化的方法”1 、测 量材料在疲劳过程中表面显微硬度发生数值变化 等等”1 ，并将这些数值变化与材料的疲劳损伤相 联系。但目前对材料表面的早期损伤和其发展规 律仍缺乏较全面定量研究，也缺乏相应的有效 研究手段。本文在系统分析理论的基础上利用信 号处理的方法确定损伤参数，通过三点弯曲疲劳 试验对两种镀层的疲劳开裂过程，和具有典型界 面问题的奥一贝球铁中石墨球与基体

3、间疲劳开裂 过程，进行定量的数值跟踪描述，并结合扫描电 镜对试样表面的损伤开裂过程进行微观观察，进 而对这些早期疲劳损伤过程及其发展规律进行进 一步定量探讨和数值跟踪描述。 2 、实验方法及实验材料 2 1 实验方法 本文在系统分析理论的基础上，利用信号处 理的方法对材料的疲劳损伤进行跟踪分析。系统 分析也就是对研究对象的相关数据进行分析和处 理，并建立数学模型，近年来这种方法被广泛应 用于许多领域“1 。为保证所建模型的精度，在此采 取将实测数据与数学模型计算结果的比较，并将 误差进行实时反馈与补偿的修正方法，在此基础 上从变系数的数学方程组中选取损伤参数，通过 电子显微镜等工具观察材料损伤

4、状态与所选择的 损伤参数之间的联系，从而确定损伤参数并对材 料的损伤状态进行评估和预测。 试验用正弦载荷进行三点弯曲循环加载，在 循环加载过程中，随着试样疲劳损伤的产生和发 展，试样产生了相应变化的动态弯曲变形，试样 的动态弯曲挠度信号因此包含了疲劳损伤的重要 信息，试验分别对三种试样疲劳损伤过程进行数 值跟踪研究”。 在循环载荷作用下，对材料的受力与变形建 立数学模型已有许多研究，其中比较成功的数学 模型有D o b s o n 模型，本文在D o b s o n 模型的基 础上，为进一步提高精度，采用了信号的反馈与 补偿修正技术，经大量试验选择传递函数由微分 方程组( 1 ) ，( 2 )

5、 构建如下： 西+ 2 6 啦+ 蒯+ ( 1 一z = - 厂( f )( 1 ) 2 = m 卢I 训z lz 一豫2( 2 ) 这里u 为试样受力点的位移，z 为方程组内部 变量( 或中间变量) ，。为循环频率，f ( t ) 为外作 用力，Y 、n 、B 为材料指数。试样的受力与位 移( 挠度) u 的动态信号，均由I N s T R O N l 3 4 2 的载 荷及位移传感器放大输出，经A D 转换器将电信 号变成数字信号。当试样动态加载循环一千周， 由计算机控制以5 删z 的采样频率采集动态的载荷 及挠度信号1 0 2 4 组，然后将采集得到的数组储存 于汁算机硬盘，并同时进行分

6、析和处理，在对每 千周疲劳循环后的损伤状态进行快速计算后绘图 输出，由此完成疲劳损伤的在线监测和数学计算 的过程如图1 所示。 2 2 5 下册 首届全国航空航天领域中的力学问题学术研讨会 Y 、n 、B 参数数的确定由i 层前向神经网 络B P 算法获得，做法如r ：根据大量的试验数据 汁算经验，选取轮胎一定范围的材料指数Y 、a 、 B ，并在该范围分别选取6 0 个元素组成向量，采 用四五阶龙格一库塔法( R u n g e K u t t a ) 积分计 算得到受力与挠度对应的一计算数据，然后训练Y 、 d 、B ，以实测( A D 转换器测量值) 的6 组受力 与挠度作训练样本，目标

7、输出为相应的Y 、n 、 B 参数，输入层节点数为1 2 。输出层节点数为4 ， 隐含层节点数目的选择采用网络的输出层节点数 加输入层的平方根作为参考，开始时选取4 个； 当无法得到要求的精度时，采用构造法加入新的 神经元直到满足精度为止，Y 、n 、B 的值由此 2 2 试验材料 试样一、材料为奥一贝球铁的冶炼和热处理 工艺如下：铸铁化学成份( w ，) 为：3 ，8 1 c ，2 5 8 s i ， 0 6 3 M n ，0 0 6 1 P ，O 0 2 4 s 。用中频感应炉熔炼，熔 炼温度为1 5 0 0 ，采用稀土、镁、硅合金作为球 化剂，球化处理时间为3 2 秒，然后用转包法加 7

8、 5 s i F e 进行孕育处理，在1 2 9 5 下浇注成铸锭。 试样的热处理工艺为：奥氏体化温度9 0 0 ，保温 6 0 1 1 1 i n ，等温淬火温度为3 7 0 ，保温6 0 r I l i n ，后 在空气中冷却， 试样二、材料为4 0 c f 热扎态圆钢。经除油、 酸洗后进行镍一磷化学镀，镀液成份为：硫酸镍： 围一传递函数建梗技术蛾路图 F 1 9 1 S c h e m a t i cd i a g r 蛳o ft h em a t h e m a t i c a lm o d e l ss e t u p 确定。在得到这些数值后，把参数A 与Y 、n 、 口一起训练，若

9、达不到设定的精度要求时，采用 构造法加入新的神经元直到网络满足精度( 设定 为O 0 1 ) 要求为止“1 ，理论上，B P 网络具有功能 强大的函数逼近功能，只要多层向前网络具有足 够多的节点就可以逼近任何函数，特别对于高度 非线性幽数。计算结果表明在材料的疲劳损伤过 程中y 、a 、B 的数值计算结果基本不变，特征 参数A 在疲劳循环损伤过程中则发生着显著变化， 通过大量试验的宏微观观察，在此将特征参数A 定 义为材料的损伤参数。 3 0 9 ，L ，次磷酸钠：3 0 9 ，L ，乳酸2 5 m l ，L ，加速剂 l O 肌，镀液温度为9 0 ，施镀l h 。镀层厚度】O u m 。对部

10、分试样进行4 0 0 ，4 h 真空热处理，随 炉冷却，得到晶化镀层”J 。 试样三、材料为4 0 C r 热扎态圆钢，经除油、 酸洗后进行铁一镍一磷合金电镀，镀液成份为： 硫酸镍：1 0 0 9 ，L ，硫酸亚铁：5 0 9 ，L ，次亚磷酸钠： l g ，L ，柠檬酸三钠：l 幢，L ，磷酸l o m l 几，邻苯二 酚：l g ，L ，酒石酸钠1 0 9 ，L 处理温度为6 0 7 0 ， 阴极电流密度：3 3 0 删m 2 ，施镀1 h 。得到铁一镍 一磷合金电镀层，镀层厚度l O um ”。 2 2 6 下册 首届全国航空航天领域中的力学问题学术研讨会 以上试样都经刨、磨机械加工成7

11、 0 1 0 1 0 ( m m ) 的矩形试样，平面边缘倒以圆角。 = 三点弯曲试验的跨距为5 0 m m ，控制载荷采用 正弦方式循环变化，载荷变化频率为5 H z 。试验 过程中将对损伤参数初始值进行归一化处理并绘 图输出。 3 、试验结果和疲劳损伤过程分析 经上述信号处理的方法监测疲劳损伤全过程 的试验结果显示：损伤参数A 值在疲劳损伤的初 期，总体上以一定向下斜率变化，这一过程对应 着材料微观组织的晶内滑移等强化过程，其变化 的趋势可拟合成一条向下直线，这种变化规律直 至疲劳裂纹萌生而改变斜率，这一结果与目前疲 劳研究界普遍认可的双线性损伤规律相符。而在 裂纹高速扩展的疲劳损伤后期，

12、A 值则以快速向 上 变化的规律出现，这一结果也已得到4 0 C r 钢等 备种金属材料大量的试验结果所验证“o ” “1 。因此损伤参数A 值的增大过程就意味一个开 裂损伤的过程，在疲劳损伤的初期( 疲劳裂纹萌 生之前) 虽然损伤参数A 值总体上以一定向下斜 率变化，但在这一过程因材料的表面或界面的局 部疲劳损伤，而使A 值产生一定程度的局部向上 波动。 ：D 9 9 茸09 8 司 一0 9 7 H 后转向下降。在这一过程对试样表面用扫描电 镜进行观察，观察到在D H 段石墨球与基体出现 了开裂脱离现象，界面开裂的过程约持续了二千 周的载荷循环过程( D H ) ，在这之后的循环载荷 作用

13、过程中界面的开裂基本完成。 图3 为球铁试样在o 7 k N 一7 0k N 循环载荷 作用下，参数A 值每循环千周计算的结果。呵看 出参数A 值在循环开始的三千周内快速下降，到 达D 点开始上升，H 点后又再下降，在这过程中 出现一个局部高点H ，对试样表面用透射电镜进 当 器 0 蜃 鲁 “ 叫 一 千周c y c l e s 1 0 3 图3 试样的A 值在疲劳循环中的变化 F i g 3T h ep a r 蛳e t e rv a l u ete s tr e 乩l t so ft h es 哪l e 1 0 3C y c l e s 图2 试样的 值在疲劳循环中的变化 F i 9 2

14、 T h ep a r 蛳e t e rv a l u et e s tr e 瓠l t so ft h es 虮p l e 图2 为由系统分析法得到的奥一贝球铁在 l + 0 K N l O 0K N 循环载荷作用下，损伤参数A 值 的每千周数据采集计算结果的绘制图，该循环载 荷作用下疲劳损伤参数的局部波动变化过程为：D H I L A 值在循环开始的前二千周呈现快 速下降的趋势，从D 点开始上升，到达一个高点 行微观观察，在疲劳循环的D l I 段石墨球与基体 也开始开裂，在该载荷下开始界面开裂时的循环 周数为三千周，与上一循环载荷( 一1 O K N 一 l O oK N ) 相比，界面

15、的开裂推迟了约一千周( 循 环载荷作用至三千周时发生界面开裂损伤) ，而 开裂过程只约持续了一千周的载荷循环，与该试 样在循环载荷为一1 0 K N 一l O 0K N 相比，基 体与石墨球界面的开裂过程缩短约一千周。随后 A 值继续以下降趋势变化，下降斜率基本保持不 变。 图4 为试样二、试样三在O 9 k N 一9 0k N 循 环载荷作用下，参数A 值每循环千周的记录结果。 参数A 因表面镀层的疲劳开而裂形成了D m 峰， 试样三的铁一镍一磷合金电镀层，在循环载荷作 用到三千周时开始疲劳开裂，开裂过程为两千周 次的载荷循环，比试样二的镍一磷化学镀晶化镀 层约提前一千周开始开裂，开裂过程也

16、比试样二 多持续了一千周次。 2 2 7 下册 首届全国航空航天领域中的力学问题学术研讨会 C y c l e1 n d e x 1 0 3 豳4 、试样2 、3 的疲劳试验结果 F 1 9 4T h ep a r a m e t e rv a l u et e nr e s u l t 。o f t h es a m p l e la n ds a m p l e 2 4 、结论 N 0 1 1 抽舶r M e c h a n i c 3 ，1 9 7 0 ，3 2 4 k6 6 8 0 8 、谢华，镍磷复合镀层的晶化中国有色金属学报，2 0 0 1 1 1 ( 8 ) ：6 2 l 9 、高诚辉，铁一镍一磷合金电镀的研究，材料保护，1 9 9 0 ，7 1 0 、昊维青，经镍磷化学镀处理4 0 c r 钢低周疲劳损伤的在线跟 踪监测中国有色金属学报2 0 0 2 ，1 2 ( 1 ) ：2 0 0 2 0 5 l I 、