CN108645706B - 一种通过硬化强度和抗拉强度预测金属材料疲劳强度的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种通过硬化强度和抗拉强度预测金属材料疲劳强度的方法，属于材料科学与工程应用技术领域。该方法首先根据工程应力应变曲线计算真实应力应变曲线，然后获取加工硬化能力参数——硬化强度，并结合抗拉强度，通过双参数最小二乘法拟合，建立加工硬化能力及抗拉强度与疲劳强度的关系。该方法有效的降低了疲劳强度预测所需实验量，极大程度节约了时间、金钱和人力成本，且具有较高准确度，可以广泛应用于多种加工硬化能力较强的金属材料。

Description

一种通过硬化强度和抗拉强度预测金属材料疲劳强度的方法
技术领域
本发明涉及材料科学与工程应用技术领域，具体为一种通过硬化强度和抗拉强度预测金属材料疲劳强度的方法。
背景技术
金属疲劳是构件最常见的失效形式，据统计，在机械零件失效中大约有80％以上属于疲劳破坏，而且疲劳破坏前没有明显的变形，所以疲劳破坏经常造成重大事故，因此疲劳强度的预测对于工业生产具有重要意义。
常规疲劳极限采用升降法、步进法或成组法进行测试，均需要大量时间及样品，对于人力、财力的消耗较大。而静态力学性能(如拉伸)测试简单，其成本远低于上述疲劳极限测试方法，因此通过建立静态拉伸性能与疲劳强度的关系，可以极大程度降低成本。
发明内容
为了降低获取材料疲劳极限所需成本，本发明提供了一种通过硬化强度和抗拉强度预测金属材料疲劳强度的方法，通过工程应力应变曲线计算真实应力应变曲线，然后获取加工硬化能力参数，并结合抗拉强度，通过双参数最小二乘法拟合，建立加工硬化能力及抗拉强度与疲劳强度的关系，即可实现疲劳强度的准确预测。该方法综合了材料的强度指标与塑性指标，同时大量的降低了实验量需求，且无复杂的公式推导计算。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种通过硬化强度和抗拉强度预测金属材料疲劳强度的方法，该方法具体包括如下步骤：
(1)对目标金属材料进行轴向拉伸实验，获得拉伸性能，所述拉伸性能包括材料的工程应力应变曲线及抗拉强度。
(2)根据工程应力应变曲线计算真实应力应变曲线，如公式(2)-(3)：并计算硬化强度ΔσT；
S＝σ(1+ε) (2)
e＝ln(1+ε) (3)
公式(2)-(3)中：σ为工程应力，S为真实应力，ε为工程应变，e为真实应变。
所述硬化强度的计算为：硬化强度等于真实应力应变曲线的屈服强度与抗拉强度之间的差值，硬化强度作为加工硬化能力参数。
(3)进行高周疲劳测试，获取疲劳强度，并根据公式(1)进行拟合：
σw＝ασbΔσT+βσb+γΔσT (1)；
公式(1)中：α、β、γ均为材料相关参数，均通过拟合获得，σw为疲劳强度，σb为抗拉强度。
(4)根据步骤(3)获得的α、β、γ三个材料相关参数以及公式(1)，即可计算各种抗拉强度和硬化强度下同种材料的疲劳强度。
步骤(4)中，α、β、γ均为材料相关参数，仅适用于具有不同抗拉强度和/或硬化强度的同种材料(如塑性变形或不同温度下的同种材料)
本发明的优点和有益效果如下：
1、本发明提出了硬化强度参数，综合考虑了材料强度及塑性对疲劳强度的影响，物理意义明确。
2、本发明的疲劳强度预测模型具有良好的普适性，对于较强加工硬化能力金属材料不同拉强度及硬化强度均有良好的适用性。
3、本发明预测方法计算简单且具有较高精度，通过建立静态力学性能与疲劳强度的关系，进行疲劳强度预测。所需时间少，极大程度节约时间、人力和金钱成本。
附图说明
图1是退火态316L的工程应力应变曲线、真实应力应变曲线及硬化强度。
图2是不同抗拉强度的316L钢材料的疲劳强度预测结果。
图3是不同抗拉强度的TWIP钢材料的疲劳强度预测结果。
具体实施方式：
下面结合实施例和附图对本发明进一步说明。
实施例1：
本实施例是对不同抗拉强度的316L钢材料进行疲劳强度预测，对4种不同抗拉强度的316L钢材料进行测试(实验数据)，并用于预测其余未测试的3种316L钢材料(验证数据)。
步骤一，对不同抗拉强度的316L钢材料拉伸试样进行轴向拉伸实验，获取不同抗拉强度的316L钢材料的工程应力应变曲线及抗拉强度。图1为316L钢材料工程应力应变曲线、真实应力应变曲线及硬化强度的关系。
所用4种316L钢材料，抗拉强度分别为1363MPa、1170MPa、904MPa和667MPa。
步骤二，根据公式(2)-(3)将步骤一中各工程应力应变曲线转化为真实应力应变曲线，并计算硬化强度。所用4种316L钢材料，硬化强度分别为11MPa、117MPa、333MPa和840MPa。
步骤三，进行高周疲劳试验，获取疲劳强度。根据公式(1)，将步骤二中硬化强度与步骤一中抗拉强度代入并进行拟合，得到材料参数α、β、γ。所用4种316L钢材料，获得的参数数值分别为，α＝8.55×10-7、β＝4.076、γ＝5.66×10-4。
步骤四，根据步骤三中计算所得参数，即可预测其他抗拉强度及硬化强度的316L钢材料的疲劳强度。图2显示了计算结果与试验结果的关系。
实施例2：
本实施例是对不同抗拉强度的TWIP钢材料进行疲劳强度预测。
步骤一，对不同抗拉强度的TWIP钢材料拉伸试样进行轴向拉伸实验，获取不同抗拉强度的TWIP钢材料的工程应力应变曲线及抗拉强度所用4种TWIP钢材料，抗拉强度分别为1600MPa、1443MPa、1200MPa和952MPa。
步骤二，根据公式(2)-(3)将步骤一中各工程应力应变曲线转化为真实应力应变曲线，并计算硬化强度。所用4种TWIP钢材料，硬化强度分别为237MPa、409MPa、827MPa和1462MPa。
步骤三，进行高周疲劳试验，获取疲劳强度。根据公式(1)，将步骤二中硬化强度与步骤一中抗拉强度代入并进行拟合，得到材料参数，α、β、γ。所用4种TWIP钢材料，获得的参数数值分别为，α＝-3.36×10-8、β＝0.03、γ＝0.27。
步骤四，根据步骤三中计算所得参数，即可预测其他抗拉强度及硬化强度的TWIP钢材料的疲劳强度。图3显示了计算结果与试验结果的关系。
上述实施例仅示例性说明本发明的原理及性能，并非全部内容，人们还可以根据本实施例在无需创造性劳动前提下获得其他实施例，这些实施例都属于本发明保护范围。

Claims (4)

1.一种通过硬化强度和抗拉强度预测金属材料疲劳强度的方法，其特征在于：该方法具体包括如下步骤：
(1)对目标金属材料进行轴向拉伸实验，获得拉伸性能，所述拉伸性能包括抗拉强度和工程应力应变曲线；
(2)根据工程应力应变曲线计算真实应力应变曲线，如公式(2)-(3)：并计算硬化强度；
S＝σ(1+ε) (2)；
e＝ln(1+ε) (3)；
公式(2)-(3)中：σ为工程应力，S为真实应力，ε为工程应变，e为真实应变；
(3)进行高周疲劳测试，获取疲劳强度，并根据公式(1)进行拟合；
σw＝ασbΔσT+βσb-γΔσT (1)；
公式(1)中：α、β、γ均为材料相关参数，σb为抗拉强度，σw为疲劳强度，ΔσT为硬化强度；
(4)根据步骤(3)拟合出的α、β、γ参数以及公式(1)，即能够计算不同抗拉强度和硬化强度下同种材料的疲劳强度。
2.根据权利要求1所述的通过硬化强度和抗拉强度预测金属材料疲劳强度的方法，其特征在于：真实应力应变曲线的屈服强度与真实抗拉强度之间的差值，定义为硬化强度ΔσT，用于表征材料加工硬化能力。
3.根据权利要求1所述的通过硬化强度和抗拉强度预测金属材料疲劳强度的方法，其特征在于：步骤(3)中，根据公式(1)进行拟合获得α、β、γ的值。
4.根据权利要求1所述的通过硬化强度和抗拉强度预测金属材料疲劳强度的方法，其特征在于：步骤(4)中，α、β、γ均为材料相关参数，仅适用于具有不同抗拉强度和/或硬化强度的同种材料。
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