CN109855960B - 一种通过拉伸性能确定金属材料疲劳强度的方法 - Google Patents
一种通过拉伸性能确定金属材料疲劳强度的方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN109855960B CN109855960B CN201711237807.7A CN201711237807A CN109855960B CN 109855960 B CN109855960 B CN 109855960B CN 201711237807 A CN201711237807 A CN 201711237807A CN 109855960 B CN109855960 B CN 109855960B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- strength
- tensile
- true
- fatigue
- uniform elongation
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 239000007769 metal material Substances 0.000 title claims abstract description 106
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 32
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 24
- 238000009826 distribution Methods 0.000 claims abstract description 10
- 238000012360 testing method Methods 0.000 claims abstract description 8
- 230000001687 destabilization Effects 0.000 claims abstract description 7
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 9
- 238000011282 treatment Methods 0.000 claims description 7
- 238000010586 diagram Methods 0.000 claims description 5
- RTHCYVBBDHJXIQ-UHFFFAOYSA-N N-methyl-3-phenyl-3-[4-(trifluoromethyl)phenoxy]propan-1-amine Chemical compound C=1C=CC=CC=1C(CCNC)OC1=CC=C(C(F)(F)F)C=C1 RTHCYVBBDHJXIQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims description 3
- 230000005476 size effect Effects 0.000 claims description 3
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 abstract description 8
- 230000000368 destabilizing effect Effects 0.000 abstract description 6
- 239000002699 waste material Substances 0.000 abstract description 3
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 24
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 22
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 22
- 238000005482 strain hardening Methods 0.000 description 16
- 229910000937 TWIP steel Inorganic materials 0.000 description 11
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 11
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 9
- 229910001240 Maraging steel Inorganic materials 0.000 description 7
- 230000033001 locomotion Effects 0.000 description 7
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 7
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 7
- 230000032683 aging Effects 0.000 description 5
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 5
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 3
- 230000000977 initiatory effect Effects 0.000 description 3
- 230000004807 localization Effects 0.000 description 3
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 3
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 3
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 3
- 238000011160 research Methods 0.000 description 3
- 238000009864 tensile test Methods 0.000 description 3
- 229910000838 Al alloy Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910000881 Cu alloy Inorganic materials 0.000 description 2
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 2
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 2
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 2
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 2
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 2
- 238000013461 design Methods 0.000 description 2
- 238000009661 fatigue test Methods 0.000 description 2
- 238000005242 forging Methods 0.000 description 2
- 230000008569 process Effects 0.000 description 2
- 238000005728 strengthening Methods 0.000 description 2
- 230000035882 stress Effects 0.000 description 2
- 229910001104 4140 steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 125000004122 cyclic group Chemical group 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 238000011835 investigation Methods 0.000 description 1
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 230000008520 organization Effects 0.000 description 1
- 238000012856 packing Methods 0.000 description 1
- 238000007619 statistical method Methods 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Investigating Strength Of Materials By Application Of Mechanical Stress (AREA)
Abstract
本发明公开了一种通过拉伸性能确定金属材料疲劳强度的方法，属于金属材料疲劳强度测试技术领域。步骤为：(1)获得同一成分金属材料在不同强度‑塑性水平下的拉伸性能；(2)将抗拉强度、均匀延伸率转化为真抗拉强度和真均匀延伸率；(3)作出真抗拉强度σtb与真均匀延伸率εtu的分布图；(4)作出失稳强度线和局部强度线；(5)失稳强度线与局部强度线的相交点为最大疲劳强度所对应的点。利用本发明可以快速地在同一成分金属材料的强度‑塑性倒置关系曲线上找出疲劳强度最高的位置，避免大量的高周疲劳实验来比较不同强度金属材料的疲劳强度，减少人力和物力的浪费。
Description
技术领域
本发明涉及金属材料疲劳强度测试技术领域，具体涉及一种通过拉伸性能确定金属材料疲劳强度的方法。
背景技术
对汽车、火车、飞机来说，它们的很多构件都是在交变载荷下工作，如轴、齿轮、弹簧、叶片等。通过调研和统计分析发现，疲劳断裂占金属构件失效案例总数的80％以上[束德林.工程材料力学性能,机械工业出版社,北京,2007.]，极易造成人身事故和经济损失，所以其危害性极大。材料的疲劳是指材料在循环载荷作用下的损伤和破坏。1964年日内瓦的国际标准化组织把疲劳定义为：“金属材料在应力或者应变的反复作用下所发生的性能变化叫做疲劳”[Suresh S.Fatigue of Materials,Cambridge university press,Cambridge,1991.]。对金属构件而言，其疲劳断裂的过程主要包括了两个阶段：疲劳裂纹萌生以及疲劳裂纹扩展。而根据结构件的无限寿命设计方法，金属材料的疲劳强度(极限)将是工程构件选材的一个重要指标。因此，提高金属材料的疲劳强度一直是疲劳领域的一个重要研究课题。众所周知，通过疲劳实验来获得金属材料的疲劳强度要耗费大量的时间和金钱。而前人花费了大量的精力去试图建立疲劳强度与基本力学性能之间的关系[Frorrest PG,Fatigue of Metals,Pergamon Press,Oxford,1962；Murakami Y,MetalFatigue,Elsevier Science Ltd.,Oxford,2002；Lee YL,Pan J,Hathaway RB,Barkey ME,Fatigue Testing and Analysis(Theory and Practice),Elsevier Butter-worthHeinemann,Amsterdam,Boston,Heidelberg,2005；Tóth L,Yarema SY.Formation of thescience of fatigue of metals.Part 1.1825-1870,Mater.Sci.,2006,42:673-680；PangJC,Li SX,Wang ZG,Zhang ZF.General relation between tensile strength andfatigue strength of metallic materials,Mater.Sci.Eng.A,2013,564:331-341；PangJC,Li SX,Wang ZG,Zhang ZF.Relations between fatigue strength and othermechanical properties of metallic materials,Fatigue Fract.Eng.Mater.Struct.,2014,37:958-976]，这是因为材料的基本力学性能比较容易获得。
19世纪60年代左右，被誉为“疲劳之父”的
开始系统地研究火车车轴的疲劳行为。到19世纪70年代，
总结疲劳结果时发现铁基合金的疲劳强度(σw)与抗拉强度(σb)之间存在简单的线性关系[Tóth L,Yarema SY.Formation of the science offatigue of metals.Part 1.1825-1870,Mater.Sci.,2006,42:673-680]：
σw＝(0.4～0.5)σb (1)；
由上可知，对抗拉强度较高的金属材料来说，其疲劳强度也较高。
20世纪50年代前后，大量的高强甚至超高强金属材料不断出现。前人在研究锻钢、锻铜合金以及锻铝合金[Frorrest PG,Fatigue of Metals,Pergamon Press,Oxford,1962；Lee YL,Pan J,Hathaway RB,Barkey ME,Fatigue Testing and Analysis(Theoryand Practice),Elsevier Butter-worth Heinemann,Amsterdam,Boston,Heidelberg,2005；庞建超.高强度金属材料的疲劳与断裂研究,沈阳：中国科学院金属研究所博士学位论文，2012]的疲劳性能时发现，在低强度范围内，金属材料的疲劳强度(σw)会随着抗拉强度(σb)的增大而不断增大(图1)。由此，前人总结出了疲劳强度与抗拉强度之间的一般关系：
σw＝mσb (2)；
式(2)中m为疲劳比。然而，当抗拉强度增大到一定值时，疲劳强度将不再随抗拉强度的增大而持续增大，甚至还会有所降低，如图1所示。由此可知，高强度金属材料疲劳强度与抗拉强度之间的关系已经不能通过线性关系式来进行描述。也就是说，不断提高金属材料的抗拉强度并不能使其疲劳强度不断提高。至此，如何通过拉伸性能来快速判断高强度金属材料疲劳强度的高低又成为了困扰疲劳研究者以及工业界的难题。
近年来，庞建超[Pang JC,Li SX,Wang ZG,Zhang ZF.General relation betweentensile strength and fatigue strength of metallic materials,Mater.Sci.Eng.A,2013,564:331-341；庞建超.高强度金属材料的疲劳与断裂研究,沈阳：中国科学院金属研究所博士学位论文，2012]等人通过总结高强金属材料的疲劳数据发现，高强金属材料的疲劳强度会先随着抗拉强度的增大而增大，然后则会随着抗拉强度的进一步增大而降低，如图2所示。由图2中可以看出，高强钢的疲劳强度不会随着抗拉强度的增大而一直增大，这说明通过简单地比较金属材料的抗拉强度并不能判断疲劳强度的高低。与此同时，庞建超[Pang JC,Li SX,Wang ZG,Zhang ZF.General relation between tensile strength andfatigue strength of metallic materials,Mater.Sci.Eng.A,2013,564:331-341；庞建超.高强度金属材料的疲劳与断裂研究,沈阳：中国科学院金属研究所博士学位论文，2012]等人还提出了疲劳强度与抗拉强度之间的普适性关系式，即抛物线方程：
σw＝(C-Pσb)σb (3)；
式(3)中C和P为两个拟合常数。
综上所述，金属材料的疲劳强度不会随着抗拉强度的提高而不断提高。因此，很难通过简单地比较金属材料的抗拉强度来评价其疲劳强度的高低。由此就会引出一个问题：在同一金属材料的强度-塑性倒置关系曲线上，哪个位置的疲劳强度最高？换言之就是：对同一金属材料来说，在何种强度水平下，其疲劳强度最高？抛物线方程能很好地描述疲劳强度与抗拉强度之间的关系，然而，用抛物线方程的思想来比较金属材料的疲劳强度还是存在一些问题。
首先，抛物线方程中的两个常数C和P至少需要通过2个疲劳强度点来拟合获得。而疲劳强度一般通过采用升降法实验得出，因此，需要耗费大量的人力和物力，且耗时较长。由上可知，通过抛物线方程的思路来比较疲劳强度的高低还是很不便捷。其次，如果只通过2个点来拟合抛物线方程，那么得出来的C和P值误差会很大；因此，很难精确地确定最高疲劳强度所对应的强度点。此外，2个点拟合一条曲线往往是不令人信服的；因此，还需要进一步增大实验量来获得更多的疲劳强度点。第三，抛物线方程只考虑了抗拉强度对疲劳强度的影响。除抗拉强度之外，疲劳损伤的微观机制以及材料容纳疲劳损伤的能力也是影响疲劳强度的重要因素。由上可知，还需要进一步发展判定金属材料疲劳强度高低的方法，而且该方法需要同时考虑抗拉强度以及疲劳损伤微观机制对疲劳强度的影响。
发明内容
本发明的目的在于提供一种通过拉伸性能确定金属材料疲劳强度的方法，该方法能够避免在工程选材时开展大量高周疲劳实验来比较不同强度金属材料的疲劳强度，进而减少人力和物力的浪费。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种通过拉伸性能确定金属材料疲劳强度的方法，该方法具体包括以下几个步骤：
(1)将同一成分金属材料进行不同的热处理和/或预变形处理，对处理后所得一系列样品(得到具有不同强度和/或塑性水平的同一成分样品)进行拉伸性能测试；所述拉伸性能包括抗拉强度和均匀延伸率；
(2)将步骤(1)测试所得抗拉强度和均匀延伸率转化为真抗拉强度和真均匀延伸率；
(3)以真均匀延伸率εtu为横坐标、真抗拉强度σtb为纵坐标绘制真抗拉强度与真均匀延伸率分布图；
(4)用直线对位于低强度区内的点进行拟合，拟合的直线即为失稳强度线；用直线对位于高强度区内严重偏离失稳强度线的点进行拟合，拟合的直线即为局部强度线；在真抗拉强度与真均匀延伸率分布图中，严重偏离失稳强度线的点均位于强度相对较高的区域内，对该部分点进行直线拟合所到局部强度线；而失稳强度线上的点既有位于低强度区也有位于高强度区的，因此，对强度相对较低区域内的点进行直线似合，能够准确的获得失稳强度线；直线拟合时要保证线性相关度不低于0.9。
(5)利用疲劳强度判断依据来判断材料疲劳强度大小和确定最优疲劳强度；所述疲劳强度判断依据为(a)-(c)：(a)在失稳强度线上不断提高抗拉强度能够提高疲劳强度；(b)在局部强度线上降低抗拉强度也能够提高疲劳强度；(c)失稳强度线与局部强度线的相交点为材料最大疲劳强度所对应的点，通过该点即可确定材料疲劳强度最大时所对应的真均匀延伸率和真抗拉强度。
上述步骤(1)中，拉伸试样的尺寸应该保持一致，在设计拉伸试样尺寸时要消除尺寸效应的影响，且符合国标要求；拉伸速率应保持一致，应变量的测量需要采用应变规。
上述步骤(2)中，通过公式(4)和公式(5)将抗拉强度和均匀延伸率转化为真抗拉强度和真均匀延伸率；
σtb＝σb×(1+eu) (4)；
εtu＝ln(1+eu) (5)；
公式(4)-(5)中：σtb为真抗拉强度，σb为抗拉强度，eu为均匀延伸率，εtu为真均匀延伸率。
上述步骤(4)中，数据的拟合应采用专业的数据处理软件，且线性相关度不得低于0.9。
本发明的设计机理和有益效果如下：
1、本发明为通过拉伸性能快速确定金属材料疲劳强度的方法，主要包括五个步骤：拉伸性能测试、抗拉强度和均匀延伸率与真抗拉强度和真均匀延伸率之间的转换、数据分布图的绘制和数据点的线性拟合、微观组织或拉伸断裂行为的检测以及疲劳强度最高点的判断。其主要原理：随着金属材料强度的提高，其变形机制会发生由位错运动或位错运动加形变孪生到局部剪切带变形或晶界局部变形的转变，而失稳强度线与局部强度线的交点就是变形机制转变点。与此同时，当金属材料的变形方式转变为局部变形时，其加工硬化能力也会基本消失。而变形局部化以及加工硬化能力的丧失就会引起高强度金属材料疲劳强度的降低。
2、利用本发明可以快速地在同一成分金属材料的强度-塑性倒置关系曲线上找出疲劳强度最高的位置，避免在工程选材时开展大量的高周疲劳实验来比较不同强度金属材料的疲劳强度，进而减少人力和物力的浪费。
3、本发明在绘制真抗拉强度与真均匀延伸率分布图后，对图中低强度区和高强度区的点进行直线拟合，确定失稳强度线和局部强度线；在失稳强度线上，金属材料抗拉强度越高，其疲劳强度也越高。在局部强度线上，金属材料的抗拉强度越高，其疲劳强度反而越低。失稳强度线与局部强度线的交点为最大疲劳强度点所在的位置。
4、本发明是利用金属材料的拉伸性能来判定其疲劳强度的高低，对由夹杂物或严重组织不均匀所引起的疲劳裂纹萌生机制而言，该发明方法暂不适用。这是因为，拉伸性能指标并不能反映出材料内部是否存在着明显的夹杂物或组织不均匀性。
附图说明
图1为金属材料疲劳强度与抗拉强度之间的关系；其中：(a)锻钢；(b)锻铜合金；(c)锻铝合金。
图2为几种高强钢疲劳强度与抗拉强度之间的关系；(a)SAE 4140钢；(b)SAE 4340钢；(c)SAE 2340钢；(d)SAE 4063钢。
图3为快速确定金属材料最优疲劳强度的方法示意图。
图4为严重塑性变形制备的高强度金属材料变形机制照片；(a)和(b)为低强度粗晶金属材料的变形机制；(c)高强度细晶金属材料的变形机制。
图5为热处理制备的高强度金属材料的断裂模式；其中：(a)强度相对较低的金属材料的断裂模式；(b)强度相对较高的金属材料的断裂模式。
图6为快速判定金属材料疲劳强度高低的方法及其依据的科学原理。
图7为确定预变形Fe-30Mn-0.9C TWIP钢的最优疲劳强度；其中：(a)钢的真抗拉强度与真均匀延伸率关系图；(b)钢的抗拉强度与疲劳强度之间的关系。
图8为确定不同强度等级18Ni马氏体时效钢的最优疲劳强度；其中：(a)钢的真抗拉强度与真均匀延伸率关系图；(b)钢的抗拉强度与疲劳强度之间的关系。
图9为预变形Fe-30Mn-0.9C TWIP钢的真抗拉强度与真均匀延伸率关系图。
图10为预变形Fe-30Mn-0.9C TWIP钢的微观组织；其中：(a)30％预变形(位错和孪晶)；(b)70％预变形(位错和孪晶)。
图11为不同时效处理18Ni马氏体时效钢的真抗拉强度与真均匀延伸率关系图。
图12为不同时效处理马氏体时效钢的断裂模式；其中：(a)550℃时效5h(穿晶断裂)；(b)500℃时效5h(沿晶断裂)。
具体实施方式
以下结合附图和实施例，对本发明进行详细说明。
本发明为通过拉伸性确定金属材料疲劳强度的方法，具体包括以下几个步骤：
(I)获得同一成分金属材料在不同强度-塑性水平下的拉伸性能，主要指标包括抗拉强度和均匀延伸率。
(II)通过公式(4)和(5)将抗拉强度、均匀延伸率转化为真抗拉强度和真均匀延伸率。
σtb＝σb×(1+eu) (4)
εtu＝ln(1+eu) (5)
式(4)和(5)中σtb为真抗拉强度，σb为抗拉强度，eu为均匀延伸率，εtu为真均匀延伸率。
(III)做出真抗拉强度(σtb)与真均匀延伸率(εtu)的分布图，如图3所示。
(IV)用直线对位于低强度区内的点进行拟合，做出失稳强度线(图3)。用直线拟合高强度区内严重偏离失稳强度线的点，做出局部强度线(图3)。
(V)在失稳强度线上不断提高抗拉强度可以提高疲劳强度，而在局部强度线上降低抗拉强度也可以提高疲劳强度。此外，失稳强度线与局部强度线的相交点为最大疲劳强度点所在的位置，如图3所示。
上述步骤(I)中，拉伸试样的尺寸应该保持一致，在设计拉伸试样尺寸时要消除尺寸效应的影响，且最好符合国标要求。此外，拉伸速率应保持一致，应变量的测量需要采用应变规。
上述步骤(IV)中，数据的拟合应采用专业的数据处理软件，且线性相关度不得低于0.9。
(2)依据科学原理：
(I)变形机制的转变：众所周知，疲劳损伤主要是由局部塑性变形引起的。而金属材料的塑性变形行为主要受两个因素的影响。其中一个影响因素是金属材料的强度，即抵抗金属材料整体塑性变形的能力。强度越大，金属材料越难发生塑性变形。而另外一个影响因素则是金属材料的加工硬化能力。在疲劳过程中，滑动位错会在晶界或者硬质相处进行塞积，从而导致应变局部化。如果增大金属材料的加工硬化能力，那么其限制位错持续塞积的能力则会得到提高，这将会降低局部塑性变形的程度。此外，提高加工硬化能力可以提高变形均匀性，进而抑制局部塑性变形和颈缩的发生，从而增大均匀延伸率。由上可知，均匀延伸率的大小能在一定程度上反映加工硬化能力的高低。对同一金属材料来说，其强度与均匀延伸率之间往往存在着倒置关系。因此，提高金属材料的强度就会牺牲其加工硬化能力。
对同一成分金属材料来说，常规的强化手段有塑性变形和热处理。图4给出了严重塑性变形制备的高强度金属材料的变形机制。由图中可以看出，随着进一步强化(晶粒细化)，严重塑性变形制备的高强度金属材料的变形机制会由晶内位错运动或位错运动加形变孪生转变为剪切带局部变形，而断裂模式也会由颈缩正断转变为剪切断裂；此外，随着强度的提高，金属材料的加工硬化能力也会逐步丧失。而局部的剪切带变形以及较差的加工硬化能力会导致疲劳强度的降低。
图5给出了热处理制备的高强度金属材料的断裂模式。由图中可以看出，随着强度的不断提高，热处理制备的高强度金属材料的断裂模式会由穿晶断裂转变为沿晶断裂。这就意味着，随着强度的进一步提高，热处理制备的高强度金属材料的变形机制会由晶内的位错运动转变为局部的晶界变形。此外，随着强度的提高，金属材料的加工硬化能力也会逐步丧失。局部的晶界变形以及较差的加工硬化应力也会导致疲劳强度的降低。
由上可知，随着强度的提高，金属材料的变形机制和断裂模式会发生转变。当金属材料的变形机制转变为局部变形时(局部剪切带或局部晶界变形)，其加工硬化能力也会基本消失。金属材料的疲劳损伤主要是由局部塑性变形引起的，当变形机制转变为局部变形时，疲劳过程中累积的局部损伤程度就会加重。此外，由于加工硬化能力的丧失，金属材料对局部损伤的容纳能力也会急剧下降。因此，在变形机制转变为局部变形时，金属材料的疲劳强度将不再随抗拉强度的增大而增大。
(II)塑性失稳：低强度金属材料中存在塑性失稳，而位错的钉扎、增殖和滑动与塑性失稳密切相关。通过式(4)可以得出低强度金属材料的塑性失稳强度，而通过式(5)则可以得出塑性失稳强度对应的真均匀延伸率。此外，由前面的叙述可知，在低强度范围内，金属材料的塑性变形机制都是位错运动或位错运动加形变孪生(图6)；因此，在低强度金属材料中，塑性失稳强度与真均匀延伸率之间应该呈线性关系，并可将其命名为失稳强度线(图6)，在失稳强度线上，不断提高强度牺牲均匀延伸率可以提高疲劳强度；也就是说，在失稳强度线上，金属材料抗拉强度越高，其疲劳强度也越高，而前人大量的实验结果也证明了这一观点。随着抗拉强度的提高以及变形机制的转变，金属材料的屈服强度会高于失稳强度线；在这种情况下，金属材料在屈服后会很快的发生断裂，这就说明其加工硬化能力很差。而此时，由式(4)和(5)转换得到的真抗拉强度和真均匀延伸率会严重偏离失稳强度线(图6)。在高强度范围内，金属材料的变形机制基本相同，都是局部剪切带变形或局部晶界变形(图6)；因此，参考塑性失稳的概念，在高强度区内，真抗拉强度和真均匀延伸率之间也应该呈线性关系，并可将其定义为局部强度线(图6)。在局部强度线上，提高强度会导致疲劳强度的降低；也就是说，在局部强度线上，金属材料的抗拉强度越高，其疲劳强度反而越低。此外，失稳强度线与局部强度线之间会存在一个交点，此交点应该就是变形机制转变点(图6)。对在失稳强度线上的金属材料来说，其在变形过程中基本不会发生严重的变形局部化，且其还保有一定的加工硬化能力；而对在局部强度线上的金属材料来说，其在变形过程中会发生严重的变形局部化，且其加工硬化能力已经基本丧失。
综上所述，本发明综合考虑抗拉强度、疲劳损伤的微观机制以及材料容纳疲劳损伤的能力对疲劳强度的影响。基于以上科学原理，我们提出了通过拉伸性能快速确定金属材料最优疲劳强度的方法。在失稳强度线上，金属材料抗拉强度越高，其疲劳强度也越高。在局部强度线上，金属材料的抗拉强度越高，其疲劳强度反而越低。失稳强度线与局部强度线的交点为变形机制转变点，该点的疲劳强度应该最大。最后，值得注意的是，对由夹杂物或严重组织不均匀所引起的疲劳裂纹萌生机制而言，该发明方法暂不适用。
技术效果一：采用本发明可以快速确定金属材料的最优疲劳强度
塑性变形可有效地提高金属材料的疲劳强度，但塑性变形量过大反而会引起疲劳强度的降低。采用本发明确定不同塑性变形量Fe-30Mn-0.9C TWIP钢疲劳强度的高低，可以减少塑性加工的工作量，同时减少开展疲劳实验的时间成本和金钱成本。表1给出了不同预变形量Fe-30Mn-0.9C TWIP钢的抗拉强度和均匀延伸率。通过式(4)和(5)将抗拉强度和均匀延伸率转换为真抗拉强度和真均匀延伸率，并画出真抗拉强度与真均匀延伸率的分布图(图7(a))。由图7(a)可以看出四种状态Fe-30Mn-0.9C TWIP钢的真抗拉强度与真均匀延伸率的点都在失稳强度线上，由此就可以判定抗拉强度最大、均匀延伸率最小的预变形态Fe-30Mn-0.9C TWIP钢的疲劳强度最高，即70％预变形Fe-30Mn-0.9C TWIP钢的疲劳强度最高；而图7(b)中的实验结果也能很好地符合以上观点。通常情况下，测试一种材料的疲劳强度需要花费约5万元人民币，而时间也需要至少一个月。通过该发明来判定最优疲劳强度，可以快速地选材。如果要知道确切的最高疲劳强度值也只需要做一组实验，花费5万元人民币和一个月的时间。因此，该发明可以至少节约75％的金钱成本和时间成本。
表1不同预变形量Fe-30Mn-0.9C TWIP钢的抗拉强度和均匀延伸率
技术效果二：采用本发明可以快速地在同一成分金属材料的强度-塑性倒置关系曲线上找出在哪个位置的疲劳强度最高。
热处理可有效地提高金属材料的抗拉强度，进而提高其疲劳强度；但抗拉强度过大时，疲劳强度反而会降低。采用本发明可以确定不同强度等级18Ni马氏体时效钢在哪个强度水平具有最高的疲劳强度。表2给出了不同热处理状态18Ni马氏体时效钢的抗拉强度和均匀延伸率。通过式(4)和(5)将抗拉强度和均匀延伸率转换为真抗拉强度和真均匀延伸率，并画出真抗拉强度与真均匀延伸率的分布图(图8(a))。由图8(a)可以判定，在1400到1850MPa的强度范围内，不断提高强度可以提高疲劳强度；如果强度高于1850MPa，那么疲劳强度就会随着强度的进一步提高而降低。此外，由图8(a)还看出失稳强度线与局部强度线之间的存在着交点，而交点的真均匀延伸率和真抗拉强度分别为0.021和1830MPa。通过式(4)转换得出交点的抗拉强度为1793MPa。由此我们判定，在抗拉强度为1793MPa时，18Ni马氏体时效钢的疲劳强度最高。而实验结果(图8(b))显示，在抗拉强度约为1830MPa时，18Ni马氏体时效钢的疲劳强度最高。虽然预测值与实际值有所偏差，但是相对误差没有超过10％，仅为2％。由上可知，采用本发明来快速地在同一成分金属材料的强度-塑性倒置关系曲线上找出最优疲劳强度所在位置还是非常可靠的。在该案例中，通过本发明来找出疲劳强度最高的位置可以减少疲劳实验量，从而至少节约80％的金钱成本和时间成本。
表2不同热处理状态18Ni马氏体时效钢的抗拉强度和均匀延伸率
实施例1：
本实施例为快速确定预变形Fe-30Mn-0.9C TWIP钢最优疲劳强度，具体步骤如下：
步骤1：在拉伸实验机上对预变形Fe-30Mn-0.9C TWIP钢的拉伸性能进行测试，得出的拉伸实验数据表1-1所示。拉伸试样的平行段长度为10mm，截面积为5×5mm2。此外，拉伸速度为1.5mm/min，拉伸应变采用应变规测量。
表1-1不同预变形量Fe-30Mn-0.9C TWIP钢的抗拉强度和均匀延伸率
步骤2：通过下面的公式将抗拉强度、均匀延伸率转化为真抗拉强度和真均匀延伸率。
σtb＝σb×(1+eu) (4)
εtu＝ln(1+eu) (5)
式(1-1)和(1-2)中σtb为真抗拉强度，σb为抗拉强度，eu为均匀延伸率，εtu为真均匀延伸率。
步骤3：在数据处理软件中做出真抗拉强度(σtb)与真均匀延伸率(εtu)的分布图，如图9所示。
步骤4：用直线对位于低强度区内的点进行拟合，做出失稳强度线(图9)。
步骤5：微观组织检测。对预变形Fe-30Mn-0.9C TWIP钢的微观组织进行观察，看样品内部有没有形成剪切带，实验结果如图10所示。
步骤6：结合图9和图10的结果可以判定，70％预变形Fe-30Mn-0.9C TWIP钢的疲劳强度最高。
实施例2：
本实施例为快速确定不同时效处理18Ni马氏体时效钢最优疲劳强度，具体步骤如下：
步骤1：在拉伸实验机上对不同时效处理马氏体时效钢的拉伸性能进行测试，得出的拉伸实验数据表2-1所示。拉伸试样平行段的长度为30mm，直径为5mm。此外，拉伸速度为0.9mm/min，拉伸应变采用应变规测量。
表2-1不同热处理状态18Ni马氏体时效钢的抗拉强度和均匀延伸率
步骤2：通过公式(4)和(5)将抗拉强度、均匀延伸率转化为真抗拉强度和真均匀延伸率。
步骤3：在数据处理软件中做出真抗拉强度(σtb)与真均匀延伸率(εtu)的分布图，如图11所示。
步骤4：用直线对位于低强度区内的点进行拟合，做出失稳强度线(图11)。用直线拟合高强度区内严重偏离失稳强度线的点，做出局部强度线(图11)
步骤5：拉伸断裂行为检测。对不同时效处理马氏体时效钢的拉伸断口形貌进行观察，看样品有没有发生沿晶断裂，沿晶断裂就意味着材料发生了局部的晶界变形，实验结果如图12所示。
步骤6：根据图12中失稳强度线与局部强度线的交点的坐标，通过式(1-1)来计算变形机制转变点所对应的抗拉强度，计算结果为1793MPa。最后，结合图12和表2-1的实验结果可以判定，对以上五种时效处理马氏体时效钢来说，550℃时效5h马氏体时效钢的疲劳强度应该最高。
Claims (4)
1.一种通过拉伸性能确定金属材料疲劳强度的方法，其特征在于：该方法具体包括以下几个步骤：
(1)将同一成分金属材料进行不同的热处理和/或预变形处理，对处理后所得一系列样品进行拉伸性能测试；所述拉伸性能包括抗拉强度和均匀延伸率；
(2)将步骤(1)测试所得抗拉强度和均匀延伸率转化为真抗拉强度和真均匀延伸率；
(3)以真均匀延伸率εtu为横坐标、真抗拉强度σtb为纵坐标绘制真抗拉强度与真均匀延伸率分布图；
(4)用直线对位于低强度区内的点进行拟合，拟合的直线即为失稳强度线；用直线对位于高强度区内偏离失稳强度线的点进行拟合，拟合的直线即为局部强度线；
(5)利用疲劳强度判断依据判断材料疲劳强度大小和确定最大疲劳强度所对应的点所在的位置；所述疲劳强度判断依据为(a)-(c)：(a)在失稳强度线上不断提高抗拉强度能够提高疲劳强度；(b)在局部强度线上降低抗拉强度也能够提高疲劳强度；(c)失稳强度线与局部强度线的相交点为材料最大疲劳强度所对应的点，通过该点即可确定材料疲劳强度最大时所对应的真均匀延伸率和真抗拉强度。
2.根据权利要求1所述的通过拉伸性能确定金属材料疲劳强度的方法，其特征在于：步骤(1)中，拉伸试样的尺寸应该保持一致，在设计拉伸试样尺寸时要消除尺寸效应的影响；拉伸速率应保持一致，应变量的测量需要采用应变规。
3.根据权利要求1所述的通过拉伸性能确定金属材料疲劳强度的方法，其特征在于：步骤(2)中，通过公式(4)和公式(5)将抗拉强度和均匀延伸率转化为真抗拉强度和真均匀延伸率；
σtb＝σb×(1+eu) (4)；
εtu＝ln(1+eu) (5)；
公式(4)-(5)中：σtb为真抗拉强度，σb为抗拉强度，eu为均匀延伸率，εtu为真均匀延伸率。
4.根据权利要求1所述的通过拉伸性能确定金属材料疲劳强度的方法，其特征在于：步骤(4)中，数据的拟合应采用专业的数据处理软件，且线性相关度不得低于0.9。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201711237807.7A CN109855960B (zh) | 2017-11-30 | 2017-11-30 | 一种通过拉伸性能确定金属材料疲劳强度的方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201711237807.7A CN109855960B (zh) | 2017-11-30 | 2017-11-30 | 一种通过拉伸性能确定金属材料疲劳强度的方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN109855960A CN109855960A (zh) | 2019-06-07 |
| CN109855960B true CN109855960B (zh) | 2021-06-01 |
Family
ID=66888195
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201711237807.7A Active CN109855960B (zh) | 2017-11-30 | 2017-11-30 | 一种通过拉伸性能确定金属材料疲劳强度的方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN109855960B (zh) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110377998B (zh) * | 2019-07-11 | 2022-12-09 | 上海理工大学 | 基于疲劳强度的结构全场轻量化水平定量评价方法 |
| CN110631929A (zh) * | 2019-09-05 | 2019-12-31 | 首钢集团有限公司 | 一种测定管线钢均匀延伸率的方法及系统 |
| CN112417740B (zh) * | 2020-12-14 | 2024-01-26 | 中南大学 | 一种航空航天用铝合金低温断裂延伸率的精确测量方法 |
Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS5529724A (en) * | 1978-08-22 | 1980-03-03 | Ishikawajima Harima Heavy Ind Co Ltd | Tensile and compressional fatigue testing unit |
| KR20030015698A (ko) * | 2001-08-17 | 2003-02-25 | 한국철도기술연구원 | 가선재 인장 및 피로시험용 시편 및 그 제작방법 |
| JP2009036785A (ja) * | 2008-11-20 | 2009-02-19 | Shimadzu Corp | 把持具 |
| CN102645385A (zh) * | 2012-04-12 | 2012-08-22 | 西安石油大学 | 一种不同参数对材料疲劳裂纹扩展性能影响的检测方法 |
| CN102841013A (zh) * | 2011-06-23 | 2012-12-26 | 北京隆盛泰科石油管科技有限公司 | 一种测量非平面结构材料屈服强度的方法 |
| KR101374276B1 (ko) * | 2012-11-12 | 2014-03-12 | 동명대학교산학협력단 | 셈(SEM) 내에 설치되어 인-시츄(in-situ) 방식으로 시편의 인장 및 피로 시험을 위한 장치. |
| CN104344994A (zh) * | 2013-07-31 | 2015-02-11 | 中国科学院金属研究所 | 一种准确反映铝单丝拉伸性能的拉伸曲线拟合方法 |
| CN105300819A (zh) * | 2015-10-09 | 2016-02-03 | 上海市特种设备监督检验技术研究院 | 基于支持向量机算法的合金钢疲劳极限检测方法及其系统 |
-
2017
- 2017-11-30 CN CN201711237807.7A patent/CN109855960B/zh active Active
Patent Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS5529724A (en) * | 1978-08-22 | 1980-03-03 | Ishikawajima Harima Heavy Ind Co Ltd | Tensile and compressional fatigue testing unit |
| KR20030015698A (ko) * | 2001-08-17 | 2003-02-25 | 한국철도기술연구원 | 가선재 인장 및 피로시험용 시편 및 그 제작방법 |
| JP2009036785A (ja) * | 2008-11-20 | 2009-02-19 | Shimadzu Corp | 把持具 |
| CN102841013A (zh) * | 2011-06-23 | 2012-12-26 | 北京隆盛泰科石油管科技有限公司 | 一种测量非平面结构材料屈服强度的方法 |
| CN102645385A (zh) * | 2012-04-12 | 2012-08-22 | 西安石油大学 | 一种不同参数对材料疲劳裂纹扩展性能影响的检测方法 |
| KR101374276B1 (ko) * | 2012-11-12 | 2014-03-12 | 동명대학교산학협력단 | 셈(SEM) 내에 설치되어 인-시츄(in-situ) 방식으로 시편의 인장 및 피로 시험을 위한 장치. |
| CN104344994A (zh) * | 2013-07-31 | 2015-02-11 | 中国科学院金属研究所 | 一种准确反映铝单丝拉伸性能的拉伸曲线拟合方法 |
| CN105300819A (zh) * | 2015-10-09 | 2016-02-03 | 上海市特种设备监督检验技术研究院 | 基于支持向量机算法的合金钢疲劳极限检测方法及其系统 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| General relation between tensile strength and fatigue strength;J. Pang et al.;《Materials Science & Engineering A》;20121201;第564卷;第331-341页 * |
| Low-Cycle Fatigue Properties and Life Prediction of the Steels with Trace Silicon;M. Zhang et al.;《Advanced Engineering Materials》;20170331;第19卷(第3期);第1600581页 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN109855960A (zh) | 2019-06-07 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Gao et al. | Fatigue life of 7075-T651 aluminium alloy treated with vibratory stress relief | |
| Duprez et al. | Flow stress and ductility of duplex stainless steel during high-temperature torsion deformation | |
| CN109855960B (zh) | 一种通过拉伸性能确定金属材料疲劳强度的方法 | |
| Yang et al. | The premature necking of twinning-induced plasticity steels | |
| JP6530069B2 (ja) | 燃料噴射管用鋼管およびその製造方法 | |
| Limodin et al. | Fatigue strength improvement of a 4140 steel by gas nitriding: Influence of notch severity | |
| Cao et al. | Melting route effects on the rotatory bending fatigue and rolling contact fatigue properties of high carbon bearing steel SAE52100 | |
| Zhang et al. | Low cycle fatigue behaviour of a Cr–Mo–V matrix-type high-speed steel used for cold forging | |
| Lee et al. | The effect of the multi-pass non-circular drawing sequence on mechanical properties and microstructure evolution of low-carbon steel | |
| Kheder et al. | Fatigue Properties under Constant Stress/Variable Stress Amplitude and Coaxing Effect of Acicular Ductile Iron and 42 CrMo4 Steel. | |
| Tiryakioğlu et al. | The effect of structural integrity on the tensile deformation characteristics of A206-T71 alloy castings | |
| Cyril et al. | Effects of sulfur level and anisotropy of sulfide inclusions on tensile, impact, and fatigue properties of SAE 4140 steel | |
| Hwang | Drawing direction effect on microstructure and mechanical properties of twinning-induced plasticity steel during wire drawing | |
| EP3925715A1 (en) | Steel pipe for fuel injection pipe, and fuel injection pipe employing same | |
| Topic et al. | The fatigue behaviour of metastable (AISI-304) austenitic stainless steel wires | |
| Karadag et al. | The influence of high R ratio on unnotched fatigue behavior of 1045 steel with three different heat treatments | |
| Bleicher | Influence of different load histories on the cyclic material behavior of nodular cast iron for thick-walled application | |
| Sergeev et al. | Effect of deformation-thermal processing on the microstructure and mechanical properties of low-carbon structural steel | |
| Goto et al. | Stress-dependent opening-and shear-mode propagation behavior of fatigue cracks in ultrafine-grained Cu fabricated by equal channel angular pressing | |
| Arashima et al. | Effects of inclusions on the fatigue life of sncm439 steel in high-pressure hydrogen gas | |
| Adigamov et al. | Bauschinger effect in alternating deformation | |
| Marciniak et al. | Non-local volumetric approach to analysis defect's shape influence on specimens durability subjected to bending and torsion | |
| Lundberg et al. | Fatigue strength of machined and shot peened grey cast iron | |
| Winlock et al. | Some observations on the yield point of low-carbon steel | |
| Wang et al. | Investigation on the fatigue behaviors of maraging steel at different stress ratios |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |