航空、航天、轨道交通等领域的金属材料构件在服役过程中承受着交变应力，在低于材料屈服强度时构件容易发生疲劳失效，极易造成严重的安全事故。统计表明，材料疲劳破坏在机械破坏中占比超过80%，因此对金属材料的疲劳性能要求越来越高。研究人员采用不同方法对6082-T6轨道交通铝合金母材及焊接材进行疲劳极限测试，研究了不同方法对测试结果的影响，为提高铝合金材料疲劳性能测试结果的准确性提供了理论基础。
1、 试验材料与方法
1.1 试验材料的化学成分及其力学性能
试验选用材料为6082-T6铝合金，材料厚度为6mm，母材的化学成分分析结果如表1所示，母材和焊接材的力学性能测试结果如表2所示。
将母材和焊接材加工成15mm×6mm(长度×宽度)的纵向矩形光滑试样，试样的结构如图1所示。
1.2 试验方法
依据GB/T3075—2021《金属材料疲劳试验轴向力控制方法》进行疲劳极限测试，试验设备为高频疲劳试验机，试验载荷波形为正弦波，试验频率约为96Hz，应力比R 为-1，疲劳极限指定循环次数为107次。
分别按照 HB/Z 112—1986 《材料疲劳试验统计分析方法》、GB/T 24176—2009 《金属材料疲劳试验数据统计方案与分析方法》和 GB/T 12443—2007《金属材料扭矩控制疲劳试验方法》中的3种数据分析方法获得中值疲劳极限，并使用标准正态偏量法和单边误差限法估计材料在置信度为95%、可靠度为90%条件下的安全疲劳极限，比较不同数据统计分析方法获得结果的差异。
2、 试验结果与讨论
2.1 升降法测试疲劳极限
采用升降法测试材料的疲劳极限，有效试样约为15根，在约4级应力水平下进行试验，应力增量为预计疲劳极限的5%，使第一根试样的应力水平略高于预计疲劳极限；根据上一根试样的测试结果决定下一根试样的试验应力，如果上一根试样失效，则降低一级应力，如果上一根试样通过，则升高一级应力，直至完成全部试验；根据有效数据的终点为“通过”或“失效”，设想在某一应力水平还存在1个数据点，若该点与有效数据的起点位于同一应力水平上,则表示闭合。采用升降法测试母材和焊接材疲劳极限的结果如表3，4所示。
根据 HB/Z 112—1986，中值疲劳极限σ50的计算方法如式(1)所示。
疲劳极限子样标准差S 的计算方法如式(2)所示。
变异系数Cv的计算方法如式(3)所示。
在已知置信度1-α、存活率p和变异系数Cv的条件下，通过查表可知升降法对子总数是否符合最少观测数要求,如不符合则须增加试验对子数，如符合则安全疲劳极限σ(p，1-α)的计算方法如式(4)所示。
表5为依据 HB/Z 112—1986获得的试验数据，可见当对子总数为8个时，变异系数Cv应小于0.04038，即可满足置信度为95%、可靠度为90%条件下的安全疲劳极限σ(90，95)，误差限度δ为5%。
根据 GB/T 24176—2009，计算中值疲劳极限σ50 和安全疲劳极限σ(p，1-α)，以升降法中“失效”事件进行统计分析，将应力水平按升序排列，中值疲劳极限σ50和 安 全 疲劳极限σ(p，1-α)计 算 方 法 如 式(5)~(7)所示。
表6为依据GB/T 24176—2009获得的试验数据。由 表5，6可知：依 据 HB/Z 112—1986和GB/T 24176—2009获得的材料中值疲劳强度结果相同，母材为113MPa，焊接材为91MPa；在置信度为95%、可靠度为90%的条件下，标准正态偏量法和单边误差限法获得的安全疲劳极限结果存在差异，采用标准正态偏量法获得的母材和焊接材的安全疲劳极限分别为108MPa和86MPa，采用单边误差限法获得的母材和焊接材的安全疲劳极限分别为102MPa和82MPa。
依据HB/Z 112—1986进行安全疲劳极限测试时，要求升降法满足闭合条件，而依据 GB/T 24176—2009进行安全疲劳极限测试时，不要求升降法满足闭合条件，因为该方法在不闭合条件下也可计算试样的子样标准差。
2.2 波动法测试疲劳极限
依据GB/T 12443—2007，采用波动法测试材料的疲劳极限，约在3级的应力水平下进行试验，应力增量为预计疲劳极限的3%~5%。每级应力水平的试样数量为两根或两根以上。符合下述情况之一的应力水平即为中值疲劳极限。
(1)情况1，至指定循环次数时半数试样“通过”的最高应力水平，且在比该应力水平低一级的应力水平下，试验至指定循环次数时“通过”的试样超过半数[见图2a)]。
(2)情况2，如果在某级应力水平下，超过半数的试样未至指定循环次数就发生“失效”，而在比该应力水平低一级的应力水平下，试验至指定循环次数时全部试样均“通过”，则上述两级应力水平的平均值为疲劳极限[见图2b)]。
图3为采用波动法测试母材和焊接材疲劳极限的结果，试样编号对应表3，4中的试样编号，其中最后一根试样为所需应力上的验证试样。
由图3可知：采用波动法测得6082-T6母材和焊接材的中值疲劳极限分别为115MPa和90MPa，与升降法的测试结果分别相差2MPa和1MPa。该方法适用于试样数量较少时的疲劳极限测试，升降法通常需要15根有效试样，而该方法仅需5~8根试样，与升降法测试结果差异在一个应力台阶以内，较单点法的测试结果更可靠，同时可缩短测试时间、降低测试成本。
3、 结论
(1)当应力比R为-1时，依据HB/Z 112—1986和GB/T 24176—2009，采用升降法测试6082-T6铝合金母材和焊接材中值疲劳极限的结果表明：依据不同标准获得的中值疲劳极限测试结果相同，母材和焊接材的中值疲劳极限测试结果分别为113MPa和91MPa。
(2)在置信度为95%、可靠度为90%的条件下，使用标准正态偏量法获得母材和焊接材的安全疲劳极限比使用单边误差限法获得的安全疲劳极限高，主要原因为用于计算的标准正态偏量与单边误差限系数存在差异。
(3)采用升降法测试疲劳极限一般需要约15根有效试样，而采用波动法测试仅需5~8根试样，两者测试结果差异在一个应力台阶以内，采用波动法进行测试可显著缩短测试时间、降低测试成本，在试样数量较少时推荐使用波动法。
作者：卢祥丰，郑许，张江斌，莫红楼，陆科呈，彭斐
单位：广西南南铝加工有限公司 广西铝合金材料与加工重点实验室
来源：《理化检验-物理分册》2023年第7期
