CN110849753B - 一种基于微观划痕的金属材料疲劳强度预测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明一种基于微观划痕的金属材料疲劳强度预测方法属于金属材料性能测试技术领域，涉及一种基于微观划痕的疲劳强度的预测方法。本方法基于Murakami理论，提出基于微观划痕的疲劳损失参数
Figure DDA0002307905170000011
定义为微观划痕的截面三角形面积的平方根。该方法首先观察目标表面形貌特征，确定微观划痕存在区域。在一条划痕上选择三个截面，测量微观划痕截面的深度和宽度数据，即可获得对应的疲劳损失参数
Figure DDA0002307905170000012
若存在多条微观划痕，分别计算每条划痕的疲劳损伤参数
Figure DDA0002307905170000013
并定义最终疲劳损伤
Figure DDA0002307905170000014
为其中最大值。将该疲劳损伤参数带入Murakami疲劳强度模型，进而预测金属在此微观划痕下的疲劳强度。该方法实现了划痕在微观范围内的金属疲劳强度预测，具有一定的预测精度。

Description

一种基于微观划痕的金属材料疲劳强度预测方法
技术领域
本发明属于金属材料性能测试技术领域，涉及一种基于微观划痕的金属材料疲劳强度的预测方法。
背景技术
工程关键部件在加工制造、运输装配以及服役过程中难免产生微观划痕。虽然微观划痕尺寸较小，深度和宽度处于微米级别，但是这些划痕的存在仍会削弱材料的疲劳性能。在长期循环载荷作用下微观划痕极易诱发疲劳裂纹萌生乃至发生疲劳断裂，对关键部件的服役安全产生巨大威胁。疲劳强度是工程材料循环交变载荷下长期服役安全可靠性的重要指标，定义为材料经手107次交变载荷作用而不发生疲劳断裂时的最大应力值。为保证关键部件的服役安全，提出一种考虑微观划痕对疲劳强度影响的方法是急需的且有意义的。
Murakami等人[Murakami Y.,Metal fatigue:effects of small defects andnonmetallic inclusions,(Oxford,Elsevier，2002)]提出了定量表征表面缺陷所引起的疲劳损伤参数
Figure BDA0002307905150000011
定义为将表面缺陷投影到垂直于最大主应力的平面上获得的面积的平方根。结合材料的维氏硬度，提出了基于表面缺陷的疲劳强度模型，为广大学者所认可。现有关于表面质量对材料疲劳强度的研究大多是基于人造表面缺陷开展，通常在疲劳试件表面预制人造缺口，如V型，U型，C型等缺口，沟槽，钻孔等具有规则截面的表面缺陷。这些人造表面缺陷的深度以及宽度尺寸较大，通常处于毫米范围，即肉眼可见。表面粗糙度参数一般用来评价表面质量，但随着研究深入发现表面粗糙度不能直接用来评估材料的疲劳性能。原因在于如划痕、沟壑、凹坑等直接影响疲劳性能的微小表面缺陷不能被表面粗糙度参数所反映。因此，需要一种新的表面质量疲劳损伤评价方法，为金属材料的疲劳强度预测提供基础。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的缺陷，发明一种基于微观划痕的金属材料疲劳强度的预测方法。本发明直接以自然微观划痕为研究对象，针对微观划痕的几何特征，结合Murakami理论提出了定量表征微观划痕引起的疲劳损伤参数
Figure BDA0002307905150000021
本发明的预测模型仅需测得微观划痕截面的深度和宽度数据，无需考虑划痕的长度和方向，即可预测该金属材料在微观划痕下的疲劳强度。该方法实现了划痕在微米范围内的金属疲劳强度预测，且具有一定的预测精度。
本发明所采用的技术方案是一种基于微观划痕的金属材料疲劳强度的预测方法，该方法包括如下步骤：
步骤1观察目标表面形貌特征，确定微观划痕存在区域；
本专利的研究对象为自然微观划痕，深度一般在10μm以下，宽度在 30μm以上，或者研究对象的表面粗糙度Ra≤2下所存在的微观划痕；
步骤2在一条划痕上选择尺寸较大的三个截面，测得划痕截面深度和宽度数据；取三个截面的深度和宽度的平均值作为该条划痕的深度和宽度，即该条划痕的宽度W和深度D用下式计算：
Figure BDA0002307905150000022
其中，w1、w2、w3-分别为测量截面1-1、2-2、3-3的划痕的宽度， d1、d2、d3-分别为测量截面1-1、2-2、3-3的划痕的深度；为较全面的反映微观划痕真实尺寸，也可测量多个划痕截面；
由于本发明的微观划痕尺寸过小，应对Murakami理论进行适应性改进。因此，不考虑微观划痕长度和方向对疲劳寿命的影响，也不考虑微观划痕之间的相互作用。综上，定义该条划痕所引起的疲劳损伤为划痕截面三角形面积的平方根，可由下式计算：
Figure BDA0002307905150000031
步骤3若存在多条微观划痕，首先，依据步骤2分别测得每条划痕的深度D和宽度W，并分别计算每条划痕的疲劳损伤参数
Figure BDA0002307905150000032
然后，考虑到较大尺寸的划痕将会引起更严重的应力集中现象，定义该试样最终疲劳损伤
Figure BDA0002307905150000033
为其中最大值：
Figure BDA0002307905150000034
为尽可能的反映出最大尺寸的微观划痕，可选取试样的多个测量区域；
步骤4疲劳强度预测。本发明认为微观划痕的截面三角形面积控制材料的疲劳强度；利用步骤2和3得到的
Figure BDA0002307905150000035
对Murakami疲劳强度模型进行修正，建立了基于微观划痕的金属疲劳强度预测模型：
Figure BDA0002307905150000036
式中，Hv为金属材料的维氏硬度，单位为Kgf/mm2；c为位置参数，对表面缺陷c＝1.43。
该方法也适用于高强度钢和钛合金。
本发明的有益效果是解决了微观划痕对疲劳强度影响的问题。现有评价微观表面质量对疲劳性能影响一般采用表面粗糙度等参数，但随着研究深入发现表面粗糙度参数不能直接反应削弱疲劳强度的微观划痕的影响。本发明直接以自然微观划痕为研究对象，针对微观划痕的几何特征，结合Murakami理论提出了定量表征微观划痕引起的疲劳损伤参数
Figure BDA0002307905150000041
本发明实现了划痕在微观范围内的金属疲劳强度预测，且具有一定的预测精度。
本发明预测模型只需要测量微观划痕的深度和宽度数据，无需考虑划痕的长度和方向，就可以预测金属材料在微观划痕的下疲劳强度。本发明适用于高强度钢以及钛合金，但仍可为其他金属材料的疲劳强度预测提供借鉴思路。
附图说明
图1a)为一条微观划痕的三个截面选取示意图，图1b)微观划痕三个截面的深度和宽度表示图。其中，w1、w2、w3-分别表示三个截面划痕的宽度，d1、d2、d3-分别为测量截面1-1、2-2、3-3的划痕的深度。
图2为多条划痕共存示意图。
具体实施方式
下面结合附图和技术方案对本发明的具体实施例做详细的说明。
实施例，材料选用TC17钛合金，维氏硬度为356Kgf/mm2以及高强度FV520B-I，维氏硬度为380Kgf/mm2。
该方法具体步骤如下：
步骤1：采用ZYGO三维干涉仪对表面微观划痕进行观察，如图1a)所示。发现观测区域存在一条划痕，认为此划痕对疲劳强度的削弱起主导作用。
步骤2：确定该划痕的宽度W和深度D。
选取该划痕尺寸较大的三个截面作为测量目标，即截面1-1，2-2， 3-3，见图1a)。利用ZYGO三维干涉仪的局部选取与测量功能，分别测量三个截面的宽度和深度数据，得到w1，w2，w3和d1，d2，d3，见图1b)。则该条划痕的宽度W和深度D可用公式(1)计算得出。
至此，该条划痕所引起的疲劳损伤参数可由
Figure BDA0002307905150000051
定量表征，即公式(2)计算。
步骤3：若测量区域存在多条划痕，如图2所示。首先，分别测得每条划痕的宽度W和深度D，并分别计算每条划痕的疲劳损伤参数
Figure BDA0002307905150000052
定义该试样的最终疲劳损伤
Figure BDA0002307905150000053
为其中最大值。
为尽可能地反映出主要影响疲劳性能的最大尺寸划痕，可选取研究对象的多个测量区域；同样地，为较为真实地反映划痕深宽尺寸，可选取划痕的多个截面进行测量。
综合步骤2和3，TC17钛合金和高强度FV520B-I两种试样的划痕深度和宽度测量结果见表1；利用公式(3)得到对应的疲劳损伤参数见表2。
表1划痕宽度W和深度D测量结果(μm)
Figure BDA0002307905150000054
Figure BDA0002307905150000061
步骤4：疲劳强度测试。
用选出的材料加工疲劳试样，试样表面未进行抛光处理以便保留不同的表面划痕。然后选择所需的加载条件统一进行疲劳强度测试，获得疲劳强度σw实测值，具体数据见表2。
表2采用
Figure BDA0002307905150000062
的疲劳强度预测结果
Figure BDA0002307905150000063
步骤5：预测准确性评估。本步骤属于对该方法的验证，实际操作过程中可以省略。采用下面公式表述疲劳强度预测误差：
Figure BDA0002307905150000064
依据表2，采用本发明对两种金属的疲劳强度平均预测误差为 9.97％。

Claims (1)

1.一种基于微观划痕的金属材料疲劳强度的预测方法，其特征是，该方法具体步骤如下：
步骤1观察试样表面形貌特征，确定微观划痕存在区域；
微观划痕为试样的自然微观划痕，深度在10μm以下，宽度在30μm以上，或者研究对象的表面粗糙度Ra≤2下所存在的微观划痕；
步骤2在一条划痕上选择尺寸大的三个截面，测得划痕截面深度和宽度数据；取三个截面的深度和宽度的平均值作为该条划痕的深度和宽度，即该条划痕的宽度W和深度D用下式计算：
Figure FDA0002578784980000011
其中，w1、w2、w3-分别为测量截面1-1、2-2、3-3的划痕的宽度，d1、d2、d3-分别为测量截面1-1、2-2、3-3的划痕的深度；为较全面的反映微观划痕真实尺寸，则测量多个划痕截面；
定义该条划痕所引起的疲劳损伤为划痕截面三角形面积的平方根，由下式计算：
Figure FDA0002578784980000012
步骤3若存在多条微观划痕，首先，依据步骤2分别测得每条划痕的深度D和宽度W，并分别计算每条划痕的疲劳损伤参数
Figure FDA0002578784980000013
定义该试样最终疲劳损伤
Figure FDA0002578784980000014
为其中最大值：
Figure FDA0002578784980000015
为尽可能的反映出最大尺寸的微观划痕，选取试样的多个测量区域；
步骤4疲劳强度预测；微观划痕的截面三角形面积控制材料的疲劳强度；利用步骤2和3得到的
Figure FDA0002578784980000021
对Murakami疲劳强度模型进行修正，建立基于微观划痕的金属疲劳强度预测模型：
Figure FDA0002578784980000022
式中，Hv为金属材料的维氏硬度，单位为Kgf/mm2；c为位置参数，对表面缺陷c＝1.43；
该方法适用于高强度钢和钛合金。
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