CN108613889B - 基于循环寿命的钛合金钝缺口疲劳强度损失系数评估方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于循环寿命的钛合金钝缺口疲劳强度损失系数评估方法，本发明基于超高周疲劳试验结果和数学模型，建立材料钝缺口判据，引入循环寿命因子，建立一套基于循环寿命的钝缺口疲劳强度评估模型；该模型可快速判定是否属于钝缺口，估算不同缺口根部尺寸、不同理论应力集中系数kt及不同循寿命的钝缺口疲劳强度。该模型避免了根据缺口根部尺寸简单评估缺口疲劳强度的经验性。

Description

基于循环寿命的钛合金钝缺口疲劳强度损失系数评估方法
技术领域
本发明属于有色金属制造领域，涉及一种基于循环寿命的钛合金疲劳缺口强度评估方法。
背景技术
钛合金具有轻质高强、耐腐蚀、成型号等优点，在航空航天、汽轮机等领域得到广泛运用。但是，钛合金存在显著的缺口敏感性，而钛合金在工程制造过程中不可避免存在加工缺口或者结构缺口。这些缺口部位存在应力集中，疲劳失效裂纹萌生位置。结构部件的缺口可分：尖锐缺口和钝缺口。尖锐缺口通常可作裂纹来处理，而钝缺口的疲劳强度受到缺口根部尺寸、理论应力集中系数Kt的影响，其疲劳强度的评估是研究热点。钝缺口是钛合金工程结构常见的缺口，如结构部件的圆弧过渡等，其疲劳强度的评估是钛合金结构高可靠性服役需要解决的问题。文献研究表明，材料的疲劳缺口敏感性与疲劳寿命密切相关，尤其在高周疲劳、超高周疲劳范围的缺口敏感性更加显著。目前的疲劳缺口敏感性的方法主要有三种：局部应变幅发、应力强度因子法及Neuber系数法。局部应变幅法适用于较高应力幅下缺口根部发生局部塑性变形；应力强度因子法则是将缺口看作裂纹尖端，而不适用于钝缺口情况；Neuber系数法在工程上应用较广，适用于基于疲劳极限缺口评估。目前的评估方法均不适用于高周、超高周疲劳强度损失系数评估。
发明内容
本发明提供一种基于循环寿命的钛合金钝缺口疲劳强度损失系数评估方法。采用超声疲劳试验获取光滑试样和缺口试样疲劳强度-寿命曲线，引入循环寿命因子，建立疲劳缺口敏感性系数与循环寿命关系，进而评估不同缺口尺寸、不同循环寿命的钛合金钝缺口疲劳强度。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案。
一种基于循环寿命的钛合金钝缺口疲劳强度损失系数评估方法，包括以下步骤：
(1)取光滑钛合金试件标记为试件1，采用超声疲劳方法对试件1进行超高周次疲劳试验，试验频率20kHz，获得试件1的疲劳强度-寿命数据，绘制试件1的疲劳Se-Ne曲线，并将此曲线标记为疲劳寿命曲线1，根据疲劳寿命曲线1得出试件1在109周次时的疲劳强度的疲劳强度σe试件1的疲劳极限值Se；
(2)将步骤(1)得出的试件1的σe带入公式
Figure GDA0002489862140000021
得出钛合金的本征尺寸am，其中σe为试件1在109周次时的疲劳强度，Y为形状因子，△Kth为疲劳裂纹扩展门槛值；
(3)取有缺口且缺口根部半径r≥1.5mm的钛合金试件并标记试件2，采用用超声疲劳方法对试件2进行超高周次疲劳试验，试验频率20kHz，获得试件2的疲劳强度-寿命数据，绘制试件2的疲劳Sn-Nf曲线，并将此曲线标记为疲劳寿命曲线2，根据疲劳寿命曲线2得出试件2的疲劳极限值Sn；
(4)将步骤(1)得出的Se及步骤(3)得出的Sn代入疲劳缺口损失系数计算公式Kf＝Sn/Se，计算出试件2的疲劳缺口损失系数Kf；
(5)建立缺口敏感系数q与循环寿命Nf的模型：
Figure GDA0002489862140000022
其中，β为循环寿命因子并β＝λ1+λ2logNf，
Kt为缺口理论应力集中系数Kt，
Nf为循环寿命，
λ1及λ2为模型拟合参数；
(6)通过步骤(5)估算不同钝缺口半径r、不同循环寿命Nf的钛合金疲劳强度损伤系数Kf。
本发明的有益效果为：基于超高周疲劳试验结果和数学模型，引入循环寿命因子，建立一套基于循环寿命的钝缺口疲劳强度评估模型；估算不同缺口根部尺寸、不同理论应力集中系数Kt及不同循寿命的钝缺口疲劳强度。该模型避免了根据缺口根部尺寸简单评估缺口疲劳强度的经验性。
具体实施方式
以下将结合实施例对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。另外，文中所提到的所有联接/连接关系，并非单指构件直接相接，而是指可根据具体实施情况，通过添加或减少联接辅件，来组成更优的联接结构。本发明创造中的各个技术特征，在不互相矛盾冲突的前提下可以交互组合。
实施例1
以TA15钛合金为例，钝缺口疲劳强度评估具体步骤如下：
(1)取光滑TA15钛合金试件标记为试件1，采用超声疲劳方法对试件1进行超高周次疲劳试验，试验频率20kHz，获得试件1的疲劳强度-寿命数据，绘制试件1的疲劳Se-Ne曲线，并将此曲线标记为疲劳寿命曲线1，根据疲劳寿命曲线1得出试件1在109周次时的疲劳强度的疲劳强度σe＝424MPa试件1的疲劳极限值Se；
(2)将步骤(1)得出的试件1的σe＝424MPa带入公式
Figure GDA0002489862140000031
得出钛合金的本征尺寸am＝0.044mm，其中σe为试件1在109周次时的疲劳强度，Y为形状因子，Y＝1.12，△Kth为疲劳裂纹扩展门槛值其值为5.6MPa·m1/2；
(3)取有缺口且缺口根部半径r＝1.5mm的TA15钛合金试件并标记试件2，采用用超声疲劳方法对试件2进行超高周次疲劳试验，试验频率20kHz，获得试件2的疲劳强度-寿命数据，绘制试件2的疲劳Sn-Nf曲线，并将此曲线标记为疲劳寿命曲线2；
(4)将步骤(1)得出的Se及步骤(3)得出的Sn代入疲劳缺口损失系数计算公式Kf＝Sn/Se，计算出试件2的疲劳缺口损失系数Kf；
(5)建立缺口敏感系数q与循环寿命Nf的模型，将计算出的Kf代入q值的计算公式：
Figure GDA0002489862140000041
其中，β为循环寿命因子并β＝λ1+λ2logNf，
Kt为缺口理论应力集中系数，
Nf为循环寿命，
λ1及λ2为模型拟合参数，且λ1＝1.923、λ2＝－0.132；
(6)以某一钝缺口为例，缺口根部半径r＝2.0、缺口理论应力集中系数Kt＝4，根据判据为钝缺口；某一循环寿命Nf＝109周次，计算缺口敏感性系数q＝0.6，通过步骤(5)的模型计算疲劳损伤系数Kf＝2.8，钝缺口疲劳强度Sn＝151.4MPa。因此，该方法可以估算任意钝缺口不同循环寿命的疲劳强度。
以上对本发明的较佳实施方式进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出种种的等同变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (1)

1.一种基于循环寿命的钛合金钝缺口疲劳强度损失系数评估方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)取光滑钛合金试件标记为试件1，采用超声疲劳方法对试件1进行超高周次疲劳试验，试验频率20kHz，获得试件1的疲劳强度-寿命数据，绘制试件1的疲劳Se-Ne曲线，并将此曲线标记为疲劳寿命曲线1，根据疲劳寿命曲线1得出试件1在109周次时的疲劳强度σe及试件1的疲劳极限值Se；
(2)将步骤(1)得出的试件1的σe值带入公式
Figure FDA0002459263090000011
得出钛合金的本征尺寸am，△Kth为疲劳裂纹扩展门槛值，Y为形状因子；
(3)取有缺口且缺口根部半径r≥1.5mm的钛合金试件并标记试件2，采用用超声疲劳方法对试件2进行超高周次疲劳试验，试验频率20kHz，获得试件2的疲劳强度-寿命数据，绘制试件2的疲劳Sn-Nf曲线，并将此曲线标记为疲劳寿命曲线2，根据疲劳寿命曲线2得出试件2的疲劳极限值Sn；
(4)将步骤(1)得出的Se及步骤(3)得出的Sn代入疲劳缺口损失系数计算公式Kf＝Sn/Se，计算出试件2的疲劳缺口损失系数Kf；
(5)建立缺口敏感系数q与循环寿命Nf的模型：
Figure FDA0002459263090000012
其中，β为循环寿命因子并β＝λ1+λ2logNf，
Kt为缺口理论应力集中系数，
Nf为循环寿命，
λ1及λ2为模型拟合参数；
(6)通过步骤(5)估算不同钝缺口半径r、不同循环寿命Nf的钛合金疲劳强度损伤系数Kf。
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Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110390424B (zh) * 2019-06-14 2022-05-17 平安科技（深圳）有限公司 测试对象的寿命预估方法、装置、设备及介质
CN110987388B (zh) * 2019-11-27 2021-06-22 南京航空航天大学 一种基于缺口疲劳强度的等效机械加工缺口的方法
CN111721647B (zh) * 2020-06-24 2021-12-28 四川大学 一种低周疲劳测试数据处理与内应力评估方法
CN112129660B (zh) * 2020-08-10 2024-02-23 北京工业大学 一种喷丸处理后的搅拌摩擦焊接头疲劳寿命预测方法
CN113392504B (zh) * 2021-05-18 2024-02-02 中国科学院力学研究所 一种预测缺陷对高周和超高周疲劳强度影响的方法
WO2024055271A1 (zh) * 2022-09-16 2024-03-21 华东理工大学 一种极端环境下超长寿命服役结构抗疲劳及安全调控方法

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2013205299A (ja) * 2012-03-29 2013-10-07 Ihi Corp 切欠き係数の決定方法
CN103344515A (zh) * 2013-07-05 2013-10-09 北京航空航天大学 一种基于局部应力应变法的低周疲劳和高强度冲击耦合的损伤计算方法
CN104281782A (zh) * 2014-10-13 2015-01-14 北京理工大学 基于缺口试件的啮合齿轮弯曲疲劳极限评估方法及装置
CN105758740A (zh) * 2016-04-06 2016-07-13 吉林大学 可控磁场强度的小型扭转疲劳材料力学性能原位测试仪
JP2016197080A (ja) * 2015-04-06 2016-11-24 三菱重工業株式会社 切欠き係数推定方法、切欠き係数推定システム及び切欠き係数推定装置
CN106644784A (zh) * 2016-12-31 2017-05-10 北京航空航天大学 一种考虑多部位及多失效模式的涡轮盘损伤容限评估方法
CN107449894A (zh) * 2017-08-23 2017-12-08 中国人民解放军海军工程大学 氮化硅结合碳化硅耐火陶瓷的疲劳寿命预测方法

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2013205299A (ja) * 2012-03-29 2013-10-07 Ihi Corp 切欠き係数の決定方法
CN103344515A (zh) * 2013-07-05 2013-10-09 北京航空航天大学 一种基于局部应力应变法的低周疲劳和高强度冲击耦合的损伤计算方法
CN104281782A (zh) * 2014-10-13 2015-01-14 北京理工大学 基于缺口试件的啮合齿轮弯曲疲劳极限评估方法及装置
JP2016197080A (ja) * 2015-04-06 2016-11-24 三菱重工業株式会社 切欠き係数推定方法、切欠き係数推定システム及び切欠き係数推定装置
CN105758740A (zh) * 2016-04-06 2016-07-13 吉林大学 可控磁场强度的小型扭转疲劳材料力学性能原位测试仪
CN106644784A (zh) * 2016-12-31 2017-05-10 北京航空航天大学 一种考虑多部位及多失效模式的涡轮盘损伤容限评估方法
CN107449894A (zh) * 2017-08-23 2017-12-08 中国人民解放军海军工程大学 氮化硅结合碳化硅耐火陶瓷的疲劳寿命预测方法

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
《A new approach to estimating the fatigue notch factor of Ti-6Al-4V components》;Gbadebo Owolabi et al.;《International Journal of Fatigue》;20150828;第29-34页 *
《Variability of fatigue parameters under uniaxial loading in the function of the number of cycles to failure》;Grzegorz Robak et al.;《International Journal of Fatigue》;20180412;第246-252页 *
《基于实验确定疲劳缺口系数Kf的方法》;王茂廷.;《机械强度》;20041231;第207-209页 *

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