CN110059412B - 金属材料寿命预测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种金属材料寿命预测方法，所述金属材料寿命预测方法包括：通过应力强度因子理论的表达式和裂纹附近材料的塑性应变所需的能量取决于塑性区的体积和塑性区的应变分布，以及塑性区的体积与裂纹长度的幂指函数成正比的原理推导出裂纹扩展所需总的塑性应变能的计算模型。然后根据相关理论推导出塑性应变能密度的计算公式，并构造出塑性应变能密度非线性增量模型，以得出随着循环加载的增加，塑性应变能密度的增量逐渐减小并趋于稳定。从而得出循环加载条件下金属构件的塑性应变能与疲劳寿命之间的定量关系。
Description
技术领域
本发明涉及材料力学技术领域，特别涉及一种金属材料寿命预测方法。
背景技术
在工程实际构件疲劳寿命的预估方法中，能量方法是其中最活跃的领域之一，它以危险点的能量历程为研究对象，并将高周疲劳与低周疲劳统一考量，这使得能量法具有更广的使用范围。但在实际应用中，试件失效能是呈非线性累计，在累计过程中能量密度增量逐渐降低并趋于稳定，在没有实验条件的情况下，如何利用材料相关参数估计实际工程构件的寿命，为工程实践提供一种简单可行的疲劳损伤估算方法成为迫切需求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种金属材料寿命预测方法，以解决现有的疲劳损伤估算方法依赖实验条件且较复杂的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供一种金属材料寿命预测方法，所述金属材料寿命预测方法包括：
通过应力强度因子理论的表达式和裂纹附近材料的塑性应变所需的能量取决于塑性区的体积和塑性区的应变分布，以及塑性区的体积与裂纹长度的幂指函数成正比的原理推导出裂纹扩展所需总的塑性应变能的计算模型。然后根据相关理论推导出塑性应变能密度的计算公式，并基于试件损伤累积点温度变化的纯铜疲劳寿命预测构造出塑性应变能密度非线性增量模型，得出随着循环加载的增加，塑性应变能密度的增量逐渐减小并趋于稳定。从而得出循环加载条件下金属构件的塑性应变能与疲劳寿命之间的定量关系。
可选的，在所述的金属材料寿命预测方法中，所述金属材料寿命预测方法还包括：
获取所述金属材料的固有参数；
确定循环强度系数和循环应变硬化指数；
计算单次载荷下的总塑性应变能；
计算出总的失效能，并估算出所述金属材料疲劳寿命。
可选的，在所述的金属材料寿命预测方法中，所述固有参数包括所述金属材料的极限抗拉强度、断裂强度、断面收缩率、应力比和断后伸长率。
可选的，在所述的金属材料寿命预测方法中，确定循环强度系数和循环应变硬化指数包括：
所述循环应变硬化指数为：
所述循环强度系数为：
其中：
其中，σb为所述金属材料的极限抗拉强度、σf为所述金属材料的断裂强度、εf为所述金属材料的断裂延性，E为所述金属材料的弹性模量。
可选的，在所述的金属材料寿命预测方法中，计算单次载荷下的总塑性应变能包括：
给定塑性应力幅值，在相应的塑性应力幅值下算出塑性应变幅值，塑性应变幅值的计算公式如下：
其中，Δσ为给定应力幅值；
计算出单次载荷下的塑性应变能密度为：
计算单次载荷下塑性应变能密度的增量值为：
计算单次载荷下总塑性应变能为：
ΔWpf＝ΔWp+δW
其中，σa为根据实际应力定义的载荷，Ni为单次载荷下的应力，α、β为等效应力增量参数，ΔεpZ为等效应力增量下的塑性应变增量。
可选的，在所述的金属材料寿命预测方法中，计算出总的失效能，并估算出所述金属材料疲劳寿命包括：
所述总的失效能为：
其中，Wfo为所述金属材料的韧性，ψ为所述金属材料的断面收缩率、R为所述应力比、δ为所述断后伸长率；
累加所述单次载荷下总塑性应变能，直至累加值等于所述总的失效能，以估算出金属材料的疲劳寿命。
可选的，在所述的金属材料寿命预测方法中，所述金属材料的韧性为：
其中：n为应变硬化指数，σf为所述金属材料的断裂强度、εf为所述金属材料的断裂延性。
在本发明提供的金属材料寿命预测方法中，通过应力强度因子理论的表达式和裂纹附近材料的塑性应变所需的能量取决于塑性区的体积和塑性区的应变分布，以及塑性区的体积与裂纹长度的幂指函数成正比的原理推导出裂纹扩展所需总的塑性应变能的计算模型。然后根据相关理论推导出塑性应变能密度的计算公式，并基于试件损伤累积点温度变化的纯铜疲劳寿命预测构造出塑性应变能密度非线性增量模型，得出随着循环加载的增加，塑性应变能密度的增量逐渐减小并趋于稳定。从而得出循环加载条件下金属构件的塑性应变能与疲劳寿命之间的定量关系。根据实验数据，得到了循环加载条件下金属构件塑性应变能与疲劳损伤寿命之间的定量关系。通过相关分析，明确了各参数与材料疲劳之间的关系。特征参数的相关性程度使得获得的塑性应变能与疲劳寿命之间的关系具有一定的物理意义和普遍适用性，并通过不同计算方法得出结果进行比较，从而验证上述关系的有效性，使得在没有实验条件的情况下，利用材料相关参数估计实际工程构件的寿命，为工程实践提供一种简单可行的疲劳损伤估算方法。
附图说明
图1是本发明一实施例的金属材料寿命预测方法示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的金属材料寿命预测方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
本发明的核心思想在于提供一种金属材料寿命预测方法，以解决现有的疲劳损伤估算方法依赖实验条件且较复杂的问题。而本发明提供的一种能量耗散模型，是在考虑试件失效能是呈非线性累计，在累计过程中能量密度增量逐渐降低并趋于稳定下建立的，并发现其结果与实验数据更加吻合。
为实现上述思想，本发明提供了一种金属材料寿命预测方法，所述金属材料寿命预测方法包括：通过应力强度因子理论的表达式和裂纹附近材料的塑性应变所需的能量取决于塑性区的体积和塑性区的应变分布，以及塑性区的体积与裂纹长度的幂指函数成正比的原理推导出裂纹扩展所需总的塑性应变能的计算模型。然后根据相关理论推导出塑性应变能密度的计算公式，并基于试件损伤累积点温度变化的纯铜疲劳寿命预测构造出塑性应变能密度非线性增量模型，得出随着循环加载的增加，塑性应变能密度的增量逐渐减小并趋于稳定。从而得出循环加载条件下金属构件的塑性应变能与疲劳寿命之间的定量关系。
本发明是基于能量法预测金属材料的疲劳寿命，根据实验数据拟合推导出塑性应变能与疲劳损伤寿命之间的定量关系，这样能够简便地利用材料的相关参数估算出工程实际构件的寿命。
本发明的实施例提供一种金属材料寿命预测方法，通过应力强度因子理论的表达式计算在不同应力幅值下临界裂纹长度与应力幅值的比值关系；通过裂纹附近材料的塑性应变所需的能量取决于塑性区的体积和塑性区的应变分布，以及塑性区的体积与裂纹长度的幂指函数成正比，得出试件在不同应力幅值下裂纹扩展所需要的塑性应变能的比值与相应临界裂纹长度的比值的关系；得出不同应力幅值下，裂纹扩展所需的塑性应变能的比值，以推导出总的塑性应变能的计算公式；
基于大量实验观察得出上述两个比率之间的关系不一定是一个固定值，而是一个与裂纹尖端塑性区体积有关的新参数，即
η＝-16R+15ψ+4.5δ，式中的R为应力比，ψ为断面收缩率、δ为断后伸长率。从而得出不同应力幅值下，裂纹扩展所需的塑性应变能的比值。
然后提出一个关键因素材料韧性，它是材料抗断裂性能的一个重要因数。最后由莫罗方程和兰贝格-奥斯古德公式推导出塑性应变能密度的计算公式，然后基于Crupi eta1.提出的基于试件损伤累积点温度变化的纯铜疲劳寿命预测的新方法构造了塑性应变能密度的非线性增量模型，即将疲劳累计引起的温度变化分为三个阶段可以得出随着循环加载的增加，塑性应变能的增量会逐渐减小，并且当循环载荷的次数达到一定值时，弹性应变增长率几乎不会增加，因此塑性应变能的变化率即其增量将逐渐趋于稳定。
根据实验数据，得到了循环加载条件下金属构件塑性应变能与疲劳损伤寿命之间的定量关系。通过相关分析，明确了各参数与材料疲劳之间的关系。特征参数的相关性程度使得获得的塑性应变能与疲劳损伤寿命之间的关系具有一定的物理意义和普遍适用性，并通过不同计算方法得出结果进行比较，从而验证上述关系的有效性，使得在没有实验条件的情况下，利用材料相关参数估计实际工程构件的寿命，为工程实践提供一种简单可行的疲劳损伤估算方法。
如图1所示，所述金属材料寿命预测方法还包括：获取所述金属材料的固有参数；确定循环强度系数和循环应变硬化指数；计算单次载荷下的塑性应变能；计算出总的失效能，并估算出所述金属材料疲劳寿命。在所述的金属材料寿命预测方法中，所述固有参数包括所述金属材料的极限抗拉强度、断裂强度、断面收缩率、应力比和断后伸长率。
具体的，在所述的金属材料寿命预测方法中，确定循环强度系数和循环应变硬化指数包括：
所述循环应变硬化指数为：
所述循环强度系数为：
其中：
其中，σb为所述金属材料的极限抗拉强度、σf为所述金属材料的断裂强度、εf为所述金属材料的断裂延性，E为所述金属材料的弹性模量。
进一步的，在所述的金属材料寿命预测方法中，计算单次载荷下的总塑性应变能包括：
给定塑性应力幅值，在相应的塑性应力幅值下算出塑性应变幅值，塑性应变幅值的计算公式如下：
其中，Δσ为给定应力幅值；
计算出单次载荷下的塑性应变能密度为：
计算单次载荷下塑性应变能密度的增量值为：
计算单次载荷下总塑性应变能为：
ΔWpf＝ΔWp+δW
其中，σa为根据实际应力定义的载荷，Ni为单次载荷下的应力，α、β为等效应力增量参数，ΔεpZ为等效应力增量下的塑性应变增量。
更进一步的，在所述的金属材料寿命预测方法中，计算出总的失效能，并估算出所述金属材料疲劳寿命包括：
所述总的失效能为：
其中，Wfo为所述金属材料的韧性，ψ为所述金属材料的断面收缩率、R为所述应力比、δ为所述断后伸长率；
累加所述单次载荷下总塑性应变能，直至累加值等于所述总的失效能，以估算出金属材料的疲劳寿命。
另外，在所述的金属材料寿命预测方法中，所述金属材料的韧性为：
其中：n为应变硬化指数，σf为所述金属材料的断裂强度、εf为所述金属材料的断裂延性。
本发明通过根据实验数据，得到了循环加载条件下金属构件塑性应变能与疲劳损伤寿命之间的定量关系。通过相关分析，明确了各参数与材料疲劳之间的关系。特征参数的相关性程度使得获得的塑性应变能与疲劳损伤寿命之间的关系具有一定的物理意义和普遍适用性，并通过不同计算方法得出结果进行比较，从而验证上述关系的有效性，使得在没有实验条件的情况下，利用材料相关参数估计实际工程构件的寿命，为工程实践提供一种简单可行的疲劳损伤估算方法。
综上，上述实施例对金属材料寿命预测方法的不同构型进行了详细说明，当然，本发明包括但不局限于上述实施中所列举的构型，任何在上述实施例提供的构型基础上进行变换的内容，均属于本发明所保护的范围。本领域技术人员可以根据上述实施例的内容举一反三。
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。
Claims (5)
1.一种金属材料寿命预测方法，其特征在于，所述金属材料寿命预测方法包括：
通过第一关系、第二关系，以及第三关系推导出裂纹扩展所需总的塑性应变能的计算模型；
所述第一关系为应力强度因子理论的表达式；
所述第二关系为裂纹附近材料的塑性应变所需的能量取决于塑性区的体积和塑性区的应变分布；
所述第三关系为塑性区的体积与裂纹长度的幂指函数成正比；
推导出塑性应变能密度的计算模型；
基于试件损伤累积点温度变化的纯铜疲劳寿命预测，构造出塑性应变能密度非线性增量模型，通过所述塑性应变能密度非线性增量模型得出随着循环加载的增加，塑性应变能密度的增量逐渐减小并趋于稳定；
计算循环加载条件下金属构件塑性应变能与疲劳寿命之间的定量关系；
所述金属材料寿命预测方法还包括：
获取所述金属材料的固有参数；
确定循环强度系数K′和循环应变硬化指数n′；
计算单次载荷下的总塑性应变能；
计算出总的失效能，并估算出所述金属材料疲劳寿命；
计算单次载荷下的总塑性应变能包括：
给定塑性应力幅值，在相应的塑性应力幅值下算出塑性应变幅值，塑性应变幅值的计算公式如下：
其中，Δσ为给定应力幅值；
计算出单次载荷下的塑性应变能密度为：
计算单次载荷下塑性应变能密度的增量值为：
计算单次载荷下总塑性应变能为：
ΔWpf＝ΔWp+δW
其中，σa为根据实际应力定义的载荷，Ni为疲劳寿命，α、β为等效应力增量参数，ΔεpZ为等效应力增量下的塑性应变增量。
2.如权利要求1所述的金属材料寿命预测方法，其特征在于，所述固有参数包括所述金属材料的极限抗拉强度、断裂强度、断面收缩率、应力比和断后伸长率。
3.如权利要求2所述的金属材料寿命预测方法，其特征在于，确定循环强度系数和循环应变硬化指数包括：
所述循环应变硬化指数为：
所述循环强度系数为：
其中：
其中，σb为所述金属材料的极限抗拉强度、σf为所述金属材料的断裂强度、εf为所述金属材料的断裂延性，E为所述金属材料的弹性模量。
4.如权利要求1所述的金属材料寿命预测方法，其特征在于，计算出总的失效能，并估算出所述金属材料疲劳寿命包括：
所述总的失效能为：
η＝-16R+15ψ+4.5δ；
其中，Wfo为所述金属材料的韧性，ψ为所述金属材料的断面收缩率、R为应力比、δ为断后伸长率；
累加所述单次载荷下总塑性应变能，直至累加值等于所述总的失效能，以估算出金属材料的疲劳寿命。
5.如权利要求4所述的金属材料寿命预测方法，其特征在于，所述金属材料的韧性为：
其中：n为应变硬化指数，σf为所述金属材料的断裂强度、εf为所述金属材料的断裂延性。
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 《Fatigue life assessment of notched round bars under multiaxial loading》;Ricardo Branco et al.;《Theoretical and Applied Fracture Mechanics》;20170614;第340-348页 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN110059412A (zh) | 2019-07-26 |
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