CN101231222B - 一种剩余强度和剩余寿命的无损预测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种剩余强度和剩余寿命的无损预测方法，其步骤是：第一、测量钢铁材料或零件的应力—寿命曲线，即S-N曲线；第二、建立钢铁材料或零件在强化、损伤以及考虑小载荷强化的随机载荷谱下表面硬度与剩余强度之间的对应关系；第三、钢铁材料或零件使用过程中表面硬度测量，根据钢铁材料或零件表面硬度与剩余强度之间的对应关系，进行钢铁材料或零件剩余强度的无损预测；第四、利用预测的剩余强度和钢铁材料或零件的应力—寿命曲线，即S-N曲线，可以对钢铁材料或零件在不同载荷谱下进行剩余疲劳寿命的无损预测。利用这种方法，可以通过表面硬度测量实现钢铁材料或零件剩余强度和剩余疲劳寿命的无损预测。
Description
技术领域
本发明涉及一种剩余强度和剩余寿命的无损预测方法，特别涉及一种基于表面硬度的剩余强度和剩余疲劳寿命的无损预测方法，适用领域为抗拉强度在200MPa到2300MPa之间，包括表面经过工艺强化处理、未经过工艺强化处理的钢铁材料或零部件的强化、损伤以及随机载荷谱中的剩余强度和剩余疲劳寿命的快速、无损预测。
背景技术
长期以来，国内外对于钢铁材料或零件的剩余强度和剩余疲劳寿命预测已进行了大量工作，取得多种预测钢铁材料或零件的剩余强度和剩余疲劳寿命的方法。但现有的方法不考虑使用过程中疲劳极限以下的小载荷的强化，只考虑载荷造成的损伤，而且大都把剩余强度和剩余疲劳寿命的预测分离。
疲劳极限以下小载荷对强度(包括静强度和疲劳强度)的强化现象早已引起人们的注意。国内外对小载荷强化现象的研究也一直在不断的深入和扩展，研究对象涉及到标准材料试样、具体零部件(包括经过表面工艺强化的零部件)。
常规机器零部件(特别是汽车零部件)在使用过程中所遇到的载荷大部分是疲劳极限以下的小载荷，裂纹萌生前(汽车工程上，一般不考虑结构的裂纹扩展)，低于疲劳极限的部分小载荷具有强化作用。零部件的强度和疲劳寿命会因小载荷的强化而提高和延长。如还按照传统的疲劳理论，不考虑小载荷的强化，则零部件的剩余强度和剩余寿命的预测往往是偏于安全的。
根据剩余强度进行剩余疲劳寿命的预测，充分考虑到了使用过程中强化的变化特征，使剩余疲劳寿命预测更加科学和准确。因此，考虑小载荷强化或损伤的剩余强度和剩余疲劳寿命预测比传统的方法更合理，而且通过表面硬度变化进行预测是一种无损的方法。该方法可以直接应用在汽车回收行业的重要退役零部件剩余强度和剩余疲劳寿命的评价以及二手汽车重要零件剩余强度和剩余疲劳寿命的快速、无损和现场评估。
发明内容
本发明的目的是为了充分考虑使用过程中强化的变化特征，使剩余疲劳寿命预测更加科学和准确，提供一种基于表面硬度的剩余强度和剩余疲劳寿命的无损预测方法。
本发明的技术方案是：一种剩余强度和剩余疲劳寿命的无损预测方法，其特点是，所述方法的步骤为：
1.测量钢铁材料或零件的应力-寿命曲线，即S-N曲线；
2.建立钢铁材料或零件在强化、损伤以及考虑小载荷强化的随机载荷谱下表面硬度与剩余强度之间的对应关系；
3.钢铁材料或零件使用过程中表面硬度测量，根据钢铁材料或零件表面硬度与剩余强度之间的对应关系，进行钢铁材料或零件剩余强度的无损预测；
4.利用预测的剩余强度和材料或零件的应力-寿命曲线，即S-N曲线，可以对材料或零件在不同载荷谱下进行剩余疲劳寿命的快速、无损预测。
这种方法将传统的疲劳损伤理论和小载荷强化理论相结合，在剩余强度和剩余疲劳寿命预测中考虑到小载荷的强化，而不是仅考虑载荷的损伤。利用这种方法，只要建立钢铁材料或零件在强化、损伤以及含有强化的损伤过程中的表面硬度变化与其剩余强度之间的对应关系，就可以通过表面硬度测量实现钢铁材料或零件剩余强度和剩余疲劳寿命的快速、无损预测。
具体实施方式
下面结合具体实例对本发明作进一步的说明。
以20号钢材料试样的恒幅强化载荷谱为例，剩余强度和剩余疲劳寿命的快速、无损预测方法如下：
剩余强度和剩余疲劳寿命的无损预测步骤为：
(1)测量材料的应力-寿命曲线，即S-N曲线；
(2)测量材料在不同的强化过程中表面硬度变化和剩余强度，通过试验数据分析并建立材料或零件在强化、损伤以及含有小载荷强化随机载荷中表面硬度变化与剩余强度之间的对应关系；
(3)不同强化次数下表面硬度测量，根据得到材料或零件的表面硬度变化与剩余强度之间的对应关系进行剩余强度的快速、无损预测；
(4)利用预测的剩余强度和应力-寿命曲线，可以进行不同载荷下的剩余疲劳寿命的无损预测。
2、具体实例
(1)、应力-寿命曲线测量
材料试验在多级应力下的疲劳试验结果如表1。
表1 材料的疲劳试验
| 应力/MPa | 疲劳寿命/Cycles | 对数疲劳寿命 |
| 294 | 150900 | 5.18 |
| 294 | 198800 | 5.30 |
| 274 | 446100 | 5.65 |
| 265 | 525700 | 5.72 |
| 255 | 898200 | 5.95 |
| 255 | 1258200 | 6.10 |
| 245 | 2583400 | 6.41 |
| 应力/MPa | 疲劳寿命/Cycles | 对数疲劳寿命 |
| 235 | 3401300 | 6.53 |
根据表1中的试验数据，可以拟合出20号钢的应力-寿命曲线，即S-N曲线如下
S＝524.8-44.4lgN
(2)、强化过程中表面硬度变化和剩余疲劳强度测量
根据S-N曲线，估算材料的疲劳极限为230MPa。用最佳强化载荷230MPa对材料进行强化试验，不同的强化次数下，材料的剩余疲劳强度和表面硬度变化如表2.
表2 强化过程中剩余强度和表面硬度
| 强化次数/Cycles | 剩余疲劳强度/MPa | 表面硬度/HV |
| 0 | 225.4 | 182.7 |
| 500000 | 225.4 | 185.7 |
| 1000000 | 225.4 | 187.5 |
| 2500000 | 235.2 | 188.7 |
| 5000000 | 235.2 | 192.4 |
| 7500000 | 240.1 | 191.1 |
| 10000000 | 245 | 190.5 |
随着表2中试验数据的不断积累，强化过程中剩余疲劳强度和表面硬度的对应关系即可确定(必要时可以通过数值插值得到)。
其他载荷谱下，同样可以得到类似表2的不同寿命期间的剩余强度和表面硬度的对应关系。
(3)、剩余强度的无损预测。
在不同的强化次数下进行表面硬度测量，根据强化过程中表面硬度与剩余强度之间的对应关系，即表2，可以进行剩余强度预测。
例如，强化后表面硬度为HV188.7时，根据表2中的数据，剩余疲劳强度约为235.2MPa。
(4)、利用预测的剩余强度和应力-寿命曲线，预测不同载荷下的剩余疲劳寿命。
例如，强化后表面硬度为HV188.7时，剩余疲劳强度约为235.2MPa。按照强化或损伤后材料或零件的应力-寿命曲线斜率不变，则强化后S-N曲线为S＝524.8-44.4lgN+5.2
20％过载，即276MPa，下的剩余寿命为526000次。未经过强化的试样，在20％过载下的疲劳寿命为400000次。经过强化后，疲劳寿命提高31.5％。
Claims (1)
1.一种剩余强度和剩余寿命的无损预测方法，其特征在于：
第一、测量钢铁材料或零件的应力—寿命曲线，即S-N曲线；
第二、建立钢铁材料或零件在强化、损伤以及考虑小载荷强化的典型使用载荷谱下表面硬度与剩余强度之间的对应关系；
第三、钢铁材料或零件使用过程中表面硬度测量，并根据得到的钢铁材料或零件表面硬度与剩余强度之间的对应关系，进行钢铁材料或零件剩余强度的无损预测；
第四、利用预测的剩余强度和钢铁材料或零件的应力—寿命曲线，即S-N曲线，可以对钢铁材料或零件在不同载荷谱下进行剩余疲劳寿命的无损预测。
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