CN110705131B - 基于加工表面层高周疲劳的机械构件寿命预测方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于加工表面层高周疲劳的机械构件寿命预测方法，基于微裂纹扩展理论，构建关联几何‑组织‑力学完整性指标的加工表面层疲劳寿命预测模型以及寿命损失模型；通过制作光滑试件并实验后进行加工表面层疲劳寿命预测模型待定参数的标定，制作特定加工工艺条件下获得的疲劳试件并实验后进行寿命损失模型待定参数的标定，之后，通过检测机械构件加工表面层的几何、组织和力学完整性指标并将它们输入到标定后的加工表面层疲劳寿命预测模型中即可预测得到机械构件的加工表面层疲劳寿命。本发明使加工表面层疲劳寿命预测更加准确、快捷，为抗疲劳加工工艺优化提供可靠理论指导。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种机械加工领域的技术，具体是一种根据几何-组织-力学完整性耦合作用的加工表面层高周疲劳的机械构件寿命预测方法。
背景技术
在现有抗疲劳制造技术体系中，人们普遍采用通过不同加工工艺制得标准疲劳样件或类结构件乃至真实结构件进而开展疲劳试验获取疲劳寿命，根据寿命大小来评价加工工艺的抗疲劳性能优劣。然而，采用这种传统方法来评价加工工艺的抗疲劳性能是缺乏合理性和针对性的。相对于构件的整体结构而言，受加工工艺决定的加工表面层非常薄，因此由加工工艺产生的针对疲劳裂纹扩展的抑制作用也将仅局限于这一浅薄表面层范围内。当疲劳裂纹扩展至构件基体内部时，可通过加工工艺调控的表面层将不再对裂纹的扩展产生任何影响，这意味着，抗疲劳加工工艺的效果在本质上是由加工表面层的疲劳性能彰显出来。可以认为，加工表面层几何-组织-力学完整性的耦合作用使表面层疲劳微裂纹的萌生和扩展速率发生改变，才是不同加工工艺发挥抗疲劳效能的实质所在。所以，基于加工表面层几何-组织-力学完整性指标建立针对加工表面层的疲劳寿命评价方法对于指导抗疲劳加工工艺优化十分必要。
目前，有关加工表面层疲劳寿命评价指标鲜有人提出，相应的疲劳寿命预测模型亦是缺乏。在不同加工工艺条件下，加工表面完整性指标变化复杂且差异非常大，而加工表面层疲劳寿命对加工表面完整性又非常敏感，这无疑增大了表面层疲劳寿命预测模型的构建难度。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种基于加工表面层高周疲劳的机械构件寿命预测方法，使加工表面层疲劳寿命预测更加准确、快捷，为抗疲劳加工工艺优化提供可靠理论指导。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种基于加工表面层高周疲劳的机械构件寿命预测方法，基于微裂纹扩展理论，构建关联几何-组织-力学完整性指标的加工表面层疲劳寿命预测模型以及寿命损失模型；通过制作光滑试件并实验后进行加工表面层疲劳寿命预测模型待定参数的标定，制作特定加工工艺条件下获得的疲劳试件并实验后进行寿命损失模型待定参数的标定，之后，通过检测机械构件加工表面层的几何、组织和力学完整性指标并将它们输入到标定后的加工表面层疲劳寿命预测模型中即可预测得到机械构件的加工表面层疲劳寿命。
所述的加工表面层是指：由于施加加工工艺导致材料或构件近表面材料组织和机械性能相对于初始状态发生改变的几微米至数百微米范围表面层。
所述的加工表面层疲劳寿命预测模型是指：加工表面层疲劳寿命其中：lth是加工表面层临界深度，l0是加工表面等效初始微裂纹长度，/>是加工表面层疲劳微裂纹扩展速率。
所述的加工表面层临界深度lth，优选为表面层表面层残余应力和表面层显微硬度二者中的最大深度值。
所述的寿命损失模型，即由加工工艺造成的特定粗糙表面对疲劳寿命的减低程度，可等效于一理想光滑表面上微裂纹萌生并扩展至长度l0所造成的寿命损失，其中加工表面等效初始微裂纹长度其中：c1、c2是由试验数据拟合得到的常数，Ra、Ry、Rz分别是表面粗糙度中的轮廓算数平均偏差、轮廓最大高度和微观不平度十点高度。
所述的加工表面层疲劳微裂纹扩展速率其中：Keff,max为最大应力强度因子，/>CS为材料常数，mS为裂纹扩展速率曲线斜率，nS为应力强度因子的影响力系数，kS为裂纹闭合程度随裂纹扩展而变化的参数，KIC为材料的断裂韧性，leff是有效微裂纹长度，ΔKS是微裂纹尖端应力强度因子，ΔKthS是微裂纹扩展门槛值，ΔKthL为基体材料的宏观裂纹扩展门槛值，σFLim为基体材料的疲劳强度极限。
所述的有效微裂纹长度其中：l为在外加交变载荷作用下，疲劳微裂纹自表面等效初始微裂纹长度l0开始扩展的长度，C是基体材料显微硬度和屈服强度的比值，σeff,max(l)是裂纹尖端所承受的有效应力最大值，H(l)是距离最外表面为l的表面层某点处的显微硬度；距离最外表面为d的表面层某点处的有效应力σeff(d)＝σreal+σres(d)，其中：σreal是外加载荷应力，σres是内部残余应力。
所述的微裂纹尖端应力强度因子其中：Y是修正因子，σeff,op是能够使微裂纹恰好张开的应力。
所述的微裂纹扩展门槛值
所述的几何-组织-力学完整性指标具体是指：以构件的加工表面层的表面等效初始微裂纹长度l0、表面层显微硬度H(d)以及表面层残余应力σres(d)依次作为几何完整性指标、组织完整性指标和力学完整性指标，其中：d为表面层内某点到最外表面的距离。
所述的制作光滑试件并实验是指：使用表面光滑、表面层材料物理性质与内部基体材料完全相同、不含表面变质层的光滑试件，在不同应力水平和应力比下开展疲劳试验，以对加工表面层疲劳寿命预测模型中的未知参数进行标定。
所述的加工表面层疲劳寿命预测模型的标定是指：将已知条件H(d)＝Hsubstrate、σres(d)＝0、l0＝0以及不同加载应力水平和应力比条件下的系列寿命数据输入加工表面层疲劳寿命预测模型中反求得到参数CS、mS、nS、kS、Y的具体值，其中：Hsubstrate是基体材料的平均显微硬度。
所述的制作疲劳试件并实验是指：使用不同加工工艺获得若干具有不同完整性特征的加工表面层的疲劳试件，通过测量获得相应加工表面层的表面层显微硬度、表面层残余应力和表面粗糙度数据，通过开展疲劳试验获得相应加工表面层的疲劳寿命数据。
所述的表面粗糙度、表面层显微硬度和表面层残余应力，优选采用粗糙度仪对加工表面粗糙度进行测量，即在垂直于加工表面的截面上，使用纳米压痕仪按一定间距从最外表面向基体内部测量出若干点的显微硬度数据，通过对这些数据拟合即可得到表面层显微硬度H与层深d的连续函数关系H(d)；在加工表面上，采用电解抛光剥层法和X射线衍射技术测量出表面变质层内若干层深位置的残余应力数据，通过对这些数据拟合即可得到表面层残余应力σres与层深d的连续函数关系σres(d)。
所述的测量，优选所测点数大于4个。
所述的寿命损失模型的标定是指：将疲劳试件的实验得到的系列加工表面层的疲劳寿命数据和完整性数据分别输入到经过标定的加工表面层疲劳寿命预测模型中，反求得到系列表面等效初始微裂纹长度l0后，根据表面粗糙度Ra、Ry、Rz数据和表面等效初始微裂纹长度l0的对应关系，通过拟合得到常数c1、c2。
技术效果
与现有技术相比，本发明整体所解决的技术效果是：填补了加工表面层疲劳寿命预测模型的空白，全面考虑了加工表面层几何-组织-力学完整性对表面层疲劳微裂纹萌生和扩展的耦合作用，使加工表面层疲劳寿命预测更加准确、快捷，为抗疲劳加工工艺优化提供可靠理论指导；由此产生的意料之外的技术效果包括：
(1)首次提出加工表面层疲劳寿命评价指标，使加工工艺的抗疲劳性能评价更具针对性与合理性，使不同加工工艺抗疲劳性能优劣的比较摆脱了疲劳试验样件/结构件的结构限制，不再要求疲劳试验样件必须具有某一相同结构形式，这是传统疲劳试验方法所无法做到的。
(2)首次提出加工表面等效初始微裂纹长度指标，可用于定量反映不同加工表面几何完整性给表面层或构件疲劳寿命所造成的危害程度。
附图说明
图1为本发明流程图。
具体实施方式
如图1所示，本实施例包括以下步骤：
步骤1)针对构件的加工表面层，也即由于施加加工工艺导致材料或构件近表面材料组织和机械性能相对于初始状态发生改变的几微米至数百微米范围表面层，分别使用表面等效初始微裂纹长度l0作为几何完整性指标，使用表面层显微硬度H(d)作为组织完整性指标，使用表面层残余应力σres(d)作为力学完整性指标，其中，d是表面层内某点到最外表面的距离。表面等效初始微裂纹长度l0的物理意义是，由加工工艺造成的特定粗糙表面对疲劳寿命的减低程度，可等效于一理想光滑表面上微裂纹萌生并扩展至长度l0所造成的寿命损失，具体为：其中：c1、c2是常数，可由试验数据拟合得到；Ra、Ry、Rz分别是表面粗糙度中的轮廓算数平均偏差、轮廓最大高度和微观不平度十点高度。
步骤2)加工表面层疲劳寿命Nsur，也即疲劳微裂纹在加工表面层范围内萌生和扩展所经历的寿命，主要是由表面层的几何、组织和力学三大完整性指标共同决定，故，关联三大完整性指标的表面层疲劳寿命预测模型可表示为：
Nsur＝f(l0,H,σres)
步骤3)基于微裂纹扩展理论，构建表面层疲劳寿命预测模型为：其中：lth是加工表面层临界深度。
步骤4)通过制作光滑试件和疲劳试件并分别实验以标定表面层疲劳寿命预测模型和寿命损失模型。
步骤5)针对由特定加工工艺制作的机械构件，通过实际测得的表面粗糙度数据根据寿命损失模型换算得到的加工表面层的表面等效初始微裂纹长度数据、表面层显微硬度数据和表面层残余应力数据作为表面层疲劳寿命预测模型的输入即得机械构件的加工表面层疲劳寿命。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。
Claims (8)
1.一种基于加工表面层高周疲劳的机械构件寿命预测方法，其特征在于，基于微裂纹扩展理论，构建关联几何-组织-力学完整性指标的加工表面层疲劳寿命预测模型以及寿命损失模型；通过制作光滑试件并实验后进行加工表面层疲劳寿命预测模型待定参数的标定，制作特定加工工艺条件下获得的疲劳试件并实验后进行寿命损失模型待定参数的标定，之后，通过检测机械构件加工表面层的几何、组织和力学完整性指标并将它们输入到标定后的加工表面层疲劳寿命预测模型中预测得到机械构件的加工表面层疲劳寿命；
所述的加工表面层疲劳寿命预测模型是指：加工表面层疲劳寿命其中：lth是加工表面层临界深度，l0是加工表面等效初始微裂纹长度，/>是加工表面层疲劳微裂纹扩展速率；
所述的寿命损失模型，即由加工工艺造成的特定粗糙表面对疲劳寿命的减低程度，可等效于一理想光滑表面上微裂纹萌生并扩展至长度l0所造成的寿命损失，其中加工表面等效初始微裂纹长度其中：c1、c2是由试验数据拟合得到的常数，Ra、Ry、Rz分别是表面粗糙度中的轮廓算数平均偏差、轮廓最大高度和微观不平度十点高度；
所述的加工表面层疲劳微裂纹扩展速率其中：Keff,max为最大应力强度因子，/>CS为材料常数，mS为裂纹扩展速率曲线斜率，nS为应力强度因子的影响力系数，kS为裂纹闭合程度随裂纹扩展而变化的参数，KIC为材料的断裂韧性，leff是有效微裂纹长度，ΔKS是微裂纹尖端应力强度因子，ΔKthS是微裂纹扩展门槛值，ΔKthL为基体材料的宏观裂纹扩展门槛值，σFLim为基体材料的疲劳强度极限；
所述的有效微裂纹长度其中：l为在外加交变载荷作用下，疲劳微裂纹自表面等效初始微裂纹长度l0开始扩展的长度，C是基体材料显微硬度和屈服强度的比值，σeff,max(l)是裂纹尖端所承受的有效应力最大值，H(l)是距离最外表面为l的表面层某点处的显微硬度；距离最外表面为d的表面层某点处的有效应力σeff(d)＝σreal+σres(d)，其中：σreal是外加载荷应力，σres是内部残余应力；
所述的微裂纹尖端应力强度因子其中：Y是修正因子，σeff,op是能够使微裂纹恰好张开的应力；
所述的微裂纹扩展门槛值
2.根据权利要求1所述的基于加工表面层高周疲劳的机械构件寿命预测方法，其特征是，所述的几何-组织-力学完整性指标具体是指：以构件的加工表面层的表面等效初始微裂纹长度l0、表面层显微硬度H(d)以及表面层残余应力σres(d)依次作为几何完整性指标、组织完整性指标和力学完整性指标，其中：d为表面层内某点到最外表面的距离。
3.根据权利要求1所述的基于加工表面层高周疲劳的机械构件寿命预测方法，其特征是，所述的制作光滑试件并实验是指：使用表面光滑、表面层材料物理性质与内部基体材料完全相同、不含表面变质层的光滑试件，在不同应力水平和应力比下开展疲劳试验，以对加工表面层疲劳寿命预测模型中的未知参数进行标定。
4.根据权利要求3所述的基于加工表面层高周疲劳的机械构件寿命预测方法，其特征是，所述的加工表面层疲劳寿命预测模型的标定是指：将已知条件H(d)＝Hsubstrate、σres(d)＝0、l0＝0以及不同加载应力水平和应力比条件下的系列寿命数据输入加工表面层疲劳寿命预测模型中反求得到参数CS、mS、nS、kS、Y的具体值，其中：Hsubstrate是基体材料的平均显微硬度。
5.根据权利要求1所述的基于加工表面层高周疲劳的机械构件寿命预测方法，其特征是，所述的制作疲劳试件并实验是指：使用不同加工工艺获得若干具有不同完整性特征的加工表面层的疲劳试件，通过测量获得相应加工表面层的表面层显微硬度、表面层残余应力和表面粗糙度数据，通过开展疲劳试验获得相应加工表面层的疲劳寿命数据。
6.根据权利要求5所述的基于加工表面层高周疲劳的机械构件寿命预测方法，其特征是，所述的表面粗糙度、表面层显微硬度和表面层残余应力，优选采用粗糙度仪对加工表面粗糙度进行测量，即在垂直于加工表面的截面上，使用纳米压痕仪按一定间距从最外表面向基体内部测量出若干点的显微硬度数据，通过对这些数据拟合即可得到表面层显微硬度H与层深d的连续函数关系H(d)；在加工表面上，采用电解抛光剥层法和X射线衍射技术测量出表面变质层内若干层深位置的残余应力数据，通过对这些数据拟合即可得到表面层残余应力σres与层深d的连续函数关系σres(d)。
7.根据权利要求1所述的基于加工表面层高周疲劳的机械构件寿命预测方法，其特征是，所述的寿命损失模型的标定是指：将疲劳试件的实验得到的系列加工表面层的疲劳寿命数据和完整性数据分别输入到经过标定的加工表面层疲劳寿命预测模型中，反求得到系列表面等效初始微裂纹长度l0后，根据表面粗糙度Ra、Ry、Rz数据和表面等效初始微裂纹长度l0的对应关系，通过拟合得到常数c1、c2。
8.根据权利要求1所述的基于加工表面层高周疲劳的机械构件寿命预测方法，其特征是，所述的预测得到机械构件的加工表面层疲劳寿命是指：针对由特定加工工艺制作的机械构件，通过实际测得的表面粗糙度数据根据寿命损失模型换算得到的加工表面层的表面等效初始微裂纹长度数据、表面层显微硬度数据和表面层残余应力数据作为表面层疲劳寿命预测模型的输入即得机械构件的加工表面层疲劳寿命。
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| CN110705131A (zh) | 2020-01-17 |
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