CN103760007A - 一种预测不同应力比下疲劳裂纹扩展门槛值的方法 - Google Patents

Abstract

一种预测不同应力比下疲劳裂纹扩展门槛值的方法，由材料在已知应力比下疲劳裂纹扩展门槛值的测试数据，即疲劳裂纹扩展速率da/dN和应力强度因子幅ΔK之间的关系，求得在双对数坐标上疲劳裂纹扩展稳定扩展区和近门槛区数据点的直线拟合斜率和两者交界点，根据不同应力比下稳定扩展区和近门槛区交界点处最大应力强度因子K_max＝ΔK/R相等的条件进行计算，能够预测未知应力比R的疲劳裂纹扩展门槛值，所述R＞0；本发明相比于已有研究，不受具体材料的限制，适用于具有均匀组织的材料，有一定的普适性；且有效减小门槛值的测试工作量，节约了成本。

Description

一种预测不同应力比下疲劳裂纹扩展门槛值的方法

技术领域

本发明涉及一种具有均匀组织的材料的力学性能领域，特别涉及一种预测具有均匀组织的材料在不同应力比R(R＞0)下疲劳裂纹扩展门槛值的方法。

背景技术

疲劳裂纹扩展门槛值反映了材料抗疲劳能力，衡量材料高周疲劳性能的重要指标，对工程上长寿命和无限寿命构件的设计具有重要的参考意义。但是其测试结果随应力比R的变化而变化，需要测试不同应力比R情况下的门槛值，周期长且成本高。

已有的研究表明在一定应力比下疲劳裂纹扩展门槛值和材料的组织尺寸有一定联系，并建立了两者之间的数学关系；但并不能推测未知应力比下的疲劳裂纹扩展门槛值，且大多是具体材料具体分析的情况，尚未提出通用的方法。

目前的研究表明，疲劳裂纹稳定扩展区和近门槛区交界点处的单向塑性区尺寸(由最大应力强度因子决定)和微观组织尺寸有一定的对应关系，而对于具有均匀组织的材料而言，两个区域交界点处对应加载的最大强度因子(K_max)几乎不变。基于此，本发明针对组织均匀的材料，提出根据已知应力比的疲劳裂纹扩展门槛值测试结果预测未知应力比R(R＞0)下的疲劳裂纹扩展门槛值的方法，可以大大减少测试工作量，具有重要的现实意义。

发明内容

为了解决现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种预测不同应力比下疲劳裂纹扩展门槛值的方法，针对具有均匀组织的材料，找到一个通过对已知应力比下疲劳裂纹扩展门槛值测试数据的分析预测未知应力比R(R＞0)下门槛值的方法，从而可以减少实际产品的测试任务量。

为了达到上述目的，本发明的技术方案为：

一种预测不同应力比下疲劳裂纹扩展门槛值的方法，由材料在已知应力比下疲劳裂纹扩展门槛值的测试数据，即疲劳裂纹扩展速率da/dN和应力强度因子幅ΔK之间的关系，求得在双对数坐标上疲劳裂纹扩展稳定扩展区和近门槛区数据点的直线拟合斜率和两者交界点，根据不同应力比下稳定扩展区和近门槛区交界点处最大应力强度因子K_max＝ΔK/R相等的条件进行计算，能够预测未知应力比R的疲劳裂纹扩展门槛值，所述R＞0。

所述材料为具有均匀组织的材料。

所述具有均匀组织的材料为具有均匀原奥氏体晶粒尺寸的钢。

上述预测不同应力比下疲劳裂纹扩展门槛值的方法，具体包括如下步骤：

步骤1：根据国家标准GB/T6398-2000《金属材料疲劳裂纹扩展速率试验方法》，在室温下，对材料进行应力比R₀下试样的疲劳裂纹扩展门槛值测试，得到疲劳裂纹扩展速率da/dN和应力强度因子幅ΔK之间的关系，要求测试数据点da/dN～ΔK在双对数坐标系中包含疲劳裂纹稳定扩展区和近门槛区；

步骤2：在双对数坐标系中，确定疲劳裂纹稳定扩展区和近门槛区数据点的拟合斜率分别为b₀和c₀，且两者的交界点为坐标为((da/dN)₀，ΔK₀)；

步骤3：根据不同应力比下稳定扩展区和近门槛区交界点处最大应力强度因子K_max＝ΔK/R相等，可知：当应力比改变为R₁时，R₁＞0，按下式（1）、式（2）、式（3）能够得到稳定扩展区和近门槛区的交界点处坐标((da/dN)₁，ΔK₁)；

(K_max)₁＝ΔK₀/R₀        (1)

${\mathrm{\ΔK}}_1=\frac{{\mathrm{\ΔK}}_0}{R_0}\·R_1---\left(2\right)$

lg(da/dN)₁＝lg(da/dN)₀+b₀(lgΔK₁-lgΔK₀)     (3)

步骤4：按下式（4）求得在应力比为R₁时，疲劳裂纹扩展门槛值

$-7=\lg {(\mathrm{da}/\mathrm{dN})}_1+c_0(\lg {\left({\mathrm{\ΔK}}_{\mathrm{th}}\right)}_{R_1}-\lg {\mathrm{\ΔK}}_1)---\left(4\right)$

和现有技术相比，本发明的优点如下：

1、针对已有研究具体材料具体分析的局限性，本发明基于具有均匀组织的材料，提出一个通用的预测方法。

2、本发明利用已知应力比下的疲劳裂纹扩展门槛值测试数据推测未知应力比情况下的门槛值，有效减小了测试工作量，节约了成本。

3、实验对预测结果进行验证，发现预测值与实验测得值有较好的一致性。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明做进一步详细的说明：

步骤1：根据国家标准GB/T6398-2000《金属材料疲劳裂纹扩展速率试验方法》，在室温下，对材料进行应力比R₀下试样的疲劳裂纹扩展门槛值测试，得到疲劳裂纹扩展速率da/dN和应力强度因子幅ΔK之间的关系，要求测试数据点da/dN～ΔK在双对数坐标系中包含疲劳裂纹稳定扩展区和近门槛区；

步骤2：在双对数坐标系中，确定疲劳裂纹稳定扩展区和近门槛区数据点的拟合斜率分别为b₀和c₀，且两者的交界点为坐标为((da/dN)₀，ΔK₀)；

步骤3：根据不同应力比下稳定扩展区和近门槛区交界点处最大应力强度因子K_max＝ΔK/R相等，可知：当应力比改变为R₁时，R₁＞0，按下式（1）、式（2）、式（3）能够得到稳定扩展区和近门槛区的交界点处坐标((da/dN)₁，ΔK₁)；

(K_max)₁＝ΔK₀/R₀          (1)

${\mathrm{\ΔK}}_1=\frac{{\mathrm{\ΔK}}_0}{R_0}\·R_1---\left(2\right)$

lg(da/dN)₁＝lg(da/dN)₀+b₀(lgΔK₁-lgΔK₀)     (3)

步骤4：按下式（4）求得在应力比为R₁时，疲劳裂纹扩展门槛值

$-7=\lg {(\mathrm{da}/\mathrm{dN})}_1+c_0(\lg {\left({\mathrm{\ΔK}}_{\mathrm{th}}\right)}_{R_1}-\lg {\mathrm{\ΔK}}_1)---\left(4\right)$

采用本发明方法针对某一NiCrMoV转子钢材料，进行了R=0.5应力比下的疲劳裂纹扩展门槛值测试实验，用上述方法预测了R=0.3和R=0.1应力比下的疲劳裂纹扩展门槛值，发现预测值与实测值的误差范围均在10%内，具有较好的预测效果。

Claims (4)

1.一种预测不同应力比下疲劳裂纹扩展门槛值的方法，其特征在于：由材料在已知应力比下疲劳裂纹扩展门槛值的测试数据，即疲劳裂纹扩展速率da/dN和应力强度因子幅ΔK之间的关系，求得在双对数坐标上疲劳裂纹扩展稳定扩展区和近门槛区数据点的直线拟合斜率和两者交界点，根据不同应力比下稳定扩展区和近门槛区交界点处最大应力强度因子K_max＝ΔK/R相等的条件进行计算，能够预测未知应力比R的疲劳裂纹扩展门槛值，所述R＞0。 

2.根据权利要求1所述的一种预测不同应力比下疲劳裂纹扩展门槛值的方法，其特征在于：所述材料为具有均匀组织的材料。 

3.根据权利要求2所述的一种预测不同应力比下疲劳裂纹扩展门槛值的方法，其特征在于：所述具有均匀组织的材料为具有均匀原奥氏体晶粒尺寸的钢。 

4.根据权利要求1所述的一种预测不同应力比下疲劳裂纹扩展门槛值的方法，其特征在于：具体包括如下步骤： 

步骤1：根据国家标准GB/T6398-2000《金属材料疲劳裂纹扩展速率试验方法》，在室温下，对材料进行应力比R₀下试样的疲劳裂纹扩展门槛值测试，得到疲劳裂纹扩展速率da/dN和应力强度因子幅ΔK之间的关系，要求测试数据点da/dN～ΔK在双对数坐标系中包含疲劳裂纹稳定扩展区和近门槛区； 

步骤2：在双对数坐标系中，确定疲劳裂纹稳定扩展区和近门槛区数据点的拟合斜率分别为b₀和c₀，且两者的交界点为坐标为((da/dN)₀，ΔK₀)； 

步骤3：根据不同应力比下稳定扩展区和近门槛区交界点处最大应力强度因子K_max＝ΔK/R相等，可知：当应力比改变为R₁时，R₁＞0，按下式（1）、式（2）、式（3）能够得到稳定扩展区和近门槛区的交界点处坐标((da/dN)₁，ΔK₁)； 

(K_max)₁＝ΔK₀/R₀         (1) 

lg(da/dN)₁＝lg(da/dN)₀+b₀(lgΔK₁-lgΔK₀)     (3) 

步骤4：按下式（4）求得在应力比为R₁时，疲劳裂纹扩展门槛值

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