CN108627406B - 一种高强金属材料变幅超高周疲劳寿命预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于损伤力学的高强金属材料变幅超高周疲劳寿命预测方法，本发明基于超高周疲劳试验结果和损伤力学模型，提供一套高强金属材料变幅超高周疲劳寿命预测方法；采用超声疲劳试验快速获取高强金属材料超高周疲劳性能，试验频率为20kHz，完成10⁹周次仅需要13.9小时；基于非线性损伤力学理论，引入变幅应力水平的损伤因子，建立材料变幅超高周疲劳寿命预测模型，定量预测变幅载荷下的超高周疲劳寿命。该评定模型思路清晰，计算简单快捷。

Description

一种高强金属材料变幅超高周疲劳寿命预测方法

技术领域

本发明属于工程结构疲劳领域，涉及一种基于损伤力学的金属材料变幅超高周疲劳寿命预测方法。

背景技术

高强金属材料，如高强金属材料，具有高强轻质、耐高温、耐腐蚀与成型性优良等优点，在航空结构、航空发动机压气机叶片、汽轮机叶片等领域得到广泛运用。高强金属结构在高速运转时承受高频振动疲劳载荷，在长期服役过程中承受的循环载荷可达10⁹周次，即超高周疲劳。在实际服役过程中，高强结构往往承受变幅载荷，其对材料超高周疲劳损伤有显著的影响。高强金属材料变幅超高周疲劳寿命预测对工程结构可靠性有重要的意义。现有的变幅疲劳寿命评估方法主要基于线性累积损伤理论以及修正模型。但是，对于高强金属材料超高周疲劳而言，超高周疲劳损伤是非线性损伤特征，疲劳裂纹萌生寿命是主要部分，线性累积损伤理论是不适用的。考虑到疲劳损伤非线性特征，研究人员在线性累积损伤理论基础上引入非线性因子进行修正，但是缺乏理论基础。疲劳非线性损伤力学寿命模型，如Chaboche损伤力学模型，主要是恒幅载荷下的疲劳损伤演化研究，在变幅载荷下的基于Chaboche损伤力学的疲劳寿命预测模型尚不成熟，而且需要确定参数很多，很难在工程中应用。

发明内容

本发明提供一种基于损伤力学的高强金属材料变幅超高周疲劳寿命预测方法。采用超声疲劳试验获取高强金属材料超高周疲劳性能，建立材料高周、超高周范围内疲劳损伤模型；基于非线性损伤力学理论，引入变幅应力水平的损伤因子，建立材料变幅超高周疲劳寿命预测模型，定量预测变幅载荷下的超高周疲劳寿命。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案。

一种基于损伤力学的高强金属材料变幅超高周疲劳寿命预测方法，包括以下步骤：

(1)采用超声疲劳方法对高强金属材料进行超高周次疲劳试验，试验频率20kHz，获得材料疲劳强度-寿命数据，绘制材料疲劳S-N曲线，根据S-N曲线计算参数S和S₁，其中S为材料疲劳损伤强度，S₁为非线性累积参数；

(2)对高强金属材料进行拉伸试验，加载速率0.00007s^-1～0.002s^-1，绘制高强金属材料的拉伸曲线，并根据拉伸曲线得出材料的弹性模量E、硬化系数k、材料参数C＝0.6E/k、抗拉强度σ_b；

(3)取1～i份高强金属材料试样，对若干高强金属材料试样进行不同热处理工艺，然后对若干高强金属材料进行金相处理，选取其显微组织中初生α相+转变β相组织为代表单元，用显微硬度计采用显微硬度计测定初生α相的硬度与转变β相的硬度，将α相的硬度值设定为α相的弹性模量Ea，将转变β相的硬度值设定为转变β相的弹性模量Eb；

(4)利用Abaqus有限元分析方法计算材料显微组织的力学参数K_f，选取若干完成不同热处理的高强金属材料试样，并对其进行金相处理，在高强金属材料的显微组织中初生α相+转变β相组织为代表单元，对代表单元进行局部细化网格，施加远场应力σ_n，并输入步骤(3)中所测定的α相的弹性模量Ea及转变β相的弹性模量Eb，计算初生α相附近区域的应力分布，获得最大应力σ_max，则力学参数K_f＝σ_max/σ_n；

(5)将以上述测定的参数代入并建立高强金属材料疲劳性能方程：

其中σ_M为疲劳强度，N_R为疲劳寿命，S为材料疲劳损伤强度，S₁为非线性累积参数，σ_e为材料的疲劳极限且

E为材料的弹性模量，k为材料的硬化系数，C为材料参数其C＝0.6E/k；

为三向应力函数：

其中ν为材料泊松比其值取0.33；

K_f为反映材料热处理工艺及显微组织特征的参数；

(6)通过建立高强金属材料疲劳性能方程，绘制高强金属材料疲劳性能曲线；

(7)根据损伤力学理论，建立试件1～x含预损伤D_i-1的第i应力水平下的疲劳损伤演化方程；

式中D_i为第i个应力谱块(σ_i)的疲劳损伤，D_i-1为第i-1个应力谱块的疲劳损伤，D_c,i为第i个应力谱块的疲劳临界损伤；N_i为第i个应力谱块的循环周次数，N_R,i为在第i个应力幅下的疲劳寿命；

(8)第i个应力谱块的疲劳临界损伤D_c,i为：

式中，D_k为拉伸断裂损伤值，一般取0.1；

(9)根据损伤力学理论，第i-1个应力谱块的疲劳损伤D_i-1在第i个应力谱块的疲劳损伤等效值为：

则在第i应力谱块下的疲劳等效损伤演化方程：

(10)根据材料载荷谱，编制载荷谱块(σ_i,N_i)；

(11)根据疲劳等效损伤演化方程，计算第i个谱块(σ_i，N_i)下的疲劳损伤Di；

(12)比较疲劳损伤D_i与疲劳临界损伤D_c,i；如果Di＜D_c,i，则不断地疲劳循环损伤计算；如果D_i≥D_c,i，则疲劳裂纹发生扩展断裂，疲劳寿命为N＝N₀+∑N_i-1；N₀为在第i个应力谱块下D_i＝D_c,i时的实际循环周次数。

本发明的有益效果为：本发明基于超高周疲劳试验结果和损伤力学模型，提供一套高强金属材料变幅超高周疲劳寿命预测方法；采用超声疲劳试验快速获取高强金属材料超高周疲劳性能，试验频率为20kHz，完成10⁹周次仅需要13.9小时；基于非线性损伤力学理论，引入变幅应力水平的损伤因子，建立材料变幅超高周疲劳寿命预测模型，定量预测变幅载荷下的超高周疲劳寿命。该评定模型思路清晰，计算简单快捷。

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

下面以TA15钛合金为例，基于损伤力学的变幅超高周疲劳寿命预测方法具体步骤如下：

(1)设计加工高强金属材料超声疲劳光滑试样，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，获得材料疲劳强度-寿命数据，绘制材料疲劳S-N曲线，获得参数S＝130和S₁＝3，其中S为材料疲劳损伤强度，S₁为非线性累积参数；

(2)对试件1进行拉伸试验，加载速率0.0002s^-1，绘制试件1的拉伸曲线，并根据拉伸曲线得出材料的弹性模量E＝110GPa、硬化系数k＝1634、材料参数C＝0.6E/k＝40.4、抗拉强度σ_b＝367MPa；

(3)然后对试件1进行金相处理，选取其显微组织中初生α相+转变β相组织为代表单元，用显微硬度计采用显微硬度计测定初生α相的硬度与转变β相的硬度，将α相的硬度值设定为α相的弹性模量Ea，将转变β相的硬度值设定为转变β相的弹性模量Eb；

(4)利用Abaqus有限元分析方法计算材料显微组织的力学参数K_f，对试件1进行金相处理，在试件1的显微组织中初生α相+转变β相组织为代表单元，对代表单元进行局部细化网格，施加远场应力σ_n，并输入步骤(3)中所测定的α相的弹性模量Ea及转变β相的弹性模量Eb，计算初生α相附近区域的应力分布，获得最大应力σ_max，则力学参数K_f＝σ_max/σ_n＝1.25；

(5)将以上述测定的参数代入并建立试件1的疲劳性能方程：

其中σ_M为疲劳强度，N_R为疲劳寿命，S为材料疲劳损伤强度，S₁为非线性累积参数，σ_e为材料的疲劳极限且

E为材料的弹性模量，k为材料的硬化系数，C为材料参数其C＝0.6E/k；

为三向应力函数：

其中ν为材料泊松比其值取0.33；

K_f为反映材料热处理工艺及显微组织特征的参数；

(6)建立试件1的疲劳性能方程；

(7)根据材料载荷谱，编制载荷谱块(σ_i,N_i)；以600MPa/10⁶周次+550MPa/10⁷周次+700MPa/10⁵周次为例，根据损伤力学理论，建立试件1的含预损伤D_i-1的第i应力水平下的疲劳损伤演化方程；

式中Di为第i个应力谱块(σi)的疲劳损伤，D_i-1为第i-1个应力谱块的疲劳损伤，D_c,i为第i个应力谱块的疲劳临界损伤；N_i为第i个应力谱块的循环周次数，N_R,i为在第i个应力幅下的疲劳寿命；

(8)第i个应力谱块的疲劳临界损伤D_c,i为：

式中，D_k为拉伸断裂损伤值，一般取0.1，在三个应力谱块下，试件1的疲劳临界损伤Dc,i分别为：0.336、0.4、0.286；

(9)根据损伤力学理论，第i-1个应力谱块的疲劳损伤D_i-1在第i个应力谱块的疲劳损伤等效值为：

则在第i应力谱块下的疲劳等效损伤演化方程：

在第一个循环谱块(600MPa/10⁶周次)，D₁＝0.0027；在第二循环谱块中等效初始损伤为0.0032,经过550MPa/10⁷周次后疲劳损伤为0.006；在第三循环谱块中等效初始损伤为0.0037,经过650MPa/10⁵周次后疲劳损伤为0.0078；循环计算第i个循环疲劳损伤D_i；

(10)比较疲劳损伤Di与疲劳临界损伤D_c,i；如果D_i＜D_c,i，则不断地疲劳循环损伤计算；在第62个循环谱块中，疲劳损伤D₆₂＝0.41，超过疲劳临界损伤值，疲劳裂纹扩展断裂；在第62个循环谱块中，循环周次N₀＝7.2×10⁶周次，疲劳损伤达到临界值，则疲劳寿命为N＝N₀+∑N₆₁＝2.3×10⁸周次；

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)

1.一种基于损伤力学的高强金属材料变幅超高周疲劳寿命预测方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)采用超声疲劳方法对高强金属材料进行超高周次疲劳试验，试验频率20kHz，获得材料疲劳强度-寿命数据，绘制材料疲劳S-N曲线，根据S-N曲线计算参数S和S₁，其中S为材料疲劳损伤强度，S₁为非线性累积参数；

(2)对高强金属材料进行拉伸试验，加载速率0.00007s^-1～0.002s^-1，绘制高强金属材料的拉伸曲线，并根据拉伸曲线得出材料的弹性模量E、硬化系数k、材料参数C＝0.6E/k、抗拉强度σ_b；

(3)对高强金属材料进行金相处理，选取其显微组织中初生α相+转变β相组织为代表单元，采用显微硬度计测定初生α相的硬度与转变β相的硬度，将α相的硬度值设定为α相的弹性模量Ea，将转变β相的硬度值设定为转变β相的弹性模量Eb；

(4)利用Abaqus有限元分析方法计算材料显微组织的力学参数K_f，对高强金属材料试样进行金相处理，在高强金属材料的显微组织中初生α相+转变β相组织为代表单元，对代表单元进行局部细化网格，施加远场应力σ_n，并输入步骤(3)中所测定的α相的弹性模量Ea及转变β相的弹性模量Eb，计算初生α相附近区域的应力分布，获得最大应力σ_max，则力学参数K_f＝σ_max/σ_n；

(5)将以上述测定的参数代入并建立高强金属材料疲劳性能方程：

其中σ_M为疲劳强度，N_R为疲劳寿命，S为材料疲劳损伤强度，S₁为非线性累积参数，σ_e为材料的疲劳极限且

E为材料的弹性模量，k为材料的硬化系数，C为材料参数且C＝0.6E/k；

为三向应力函数：

其中v为材料泊松比其值取0.33；

K_f为反映材料热处理工艺及显微组织特征的参数；

(6)通过高强金属材料的疲劳性能方程，绘制高强金属材料疲劳性能曲线；

(7)根据损伤力学理论，建立高强金属材料的含预损伤D_i-1的第i应力水平下的疲劳损伤演化方程；

式中D_i为第i个应力谱块的疲劳损伤，D_i-1为第i-1个应力谱块的疲劳损伤，D_c,i为第i个应力谱块的疲劳临界损伤；N_i为第i个应力谱块的循环周次数，N_R,i为在第i个应力幅下的疲劳寿命；

(8)第i个应力谱块的疲劳临界损伤D_c,i为：

式中，Dk为拉伸断裂损伤值，一般取0.1；

(9)根据损伤力学理论，第i-1个应力谱块的疲劳损伤D_i-1在第i个应力谱块的疲劳损伤等效值为：

则在第i应力谱块下的疲劳等效损伤演化方程：

(10)根据疲劳等效损伤演化方程，计算第i个谱块(σ_i,N_i)下的疲劳损伤D_i；

(11)比较疲劳损伤D_i与疲劳临界损伤D_c,i；如果Di＜D_c,i，则不断地疲劳循环损伤计算；如果D_i≥D_c,i，则疲劳裂纹发生扩展断裂，疲劳寿命为N＝N₀+∑N_i-1；N₀为在第i个应力谱块下D_i＝D_c,i时的实际循环周次数。