CN111400876B

CN111400876B - 一种基于不同约束条件下的金属构件热机械疲劳寿命预测方法

Info

Publication number: CN111400876B
Application number: CN202010141888.6A
Authority: CN
Inventors: 庞建超; 王猛; 李守新; 张哲峰
Original assignee: Institute of Metal Research of CAS
Current assignee: Institute of Metal Research of CAS
Priority date: 2020-03-04
Filing date: 2020-03-04
Publication date: 2023-10-20
Anticipated expiration: 2040-03-04
Also published as: CN111400876A

Abstract

本发明公开了一种基于不同约束条件下的金属构件热机械疲劳寿命预测方法，属于材料科学与工程应用技术领域。该方法首先根据服役工况，获得服役构件所面临的载荷条件，设计并进行金属材料在约束状态下的热机械疲劳试验，确定热机械疲劳循环滞回能与约束系数的关系，建立滞回能模型并获得相关参数。根据滞回能累积损伤模型，建立了不同约束条件下热机械疲劳寿命预测的方法，进而可以推导出在实际服役工况下构件的服役时间。该方法可以通过约束热机械疲劳加速测试，即可实现材料热机械疲劳寿命的准确预测，同时也可用于构件在实际服役条件下的性能评估。

Description

一种基于不同约束条件下的金属构件热机械疲劳寿命预测方法

技术领域

本发明涉及金属材料的构件服役载荷谱和热机械疲劳性能试验技术领域，具体涉及一种基于不同约束条件下的金属构件热机械疲劳寿命预测方法。

背景技术

在航空航天、能源动力等诸多领域中，许多热端部件(内燃机活塞、燃气轮机叶片和涡轮盘等)长期在高温条件和循环载荷下运行，该循环载荷包含三种载荷形式，即：装配载荷、机器载荷和热载荷。根据失效分析，其最主要失效形式为热载与机械载荷共同往复作用而形成的热机械疲劳损伤。由于热载荷与机械载荷交互耦合作用对材料疲劳的影响，使得循环失效周次往往不足10⁵。如不能进行合理的热机械疲劳寿命预测，会极大程度增加构件服役成本，降低构件服役安全性，并产生难以挽回的损失。

由于热机疲劳损伤的复杂性，热机械疲劳寿命已经困扰了科研工作者近半个世纪。从最初的20世纪50年代以来，国内外学者对材料热机械相关的疲劳损伤行为进行了大量的研究工作。首先是Manson-Coffin方程，并在此基础上开始考虑频率和塑性应变对疲劳的影响，包括SRP法、频率修正法等，但相应的模型需要大量的实验参数并缺乏物理意义；另一种则是基于线性累计损伤为基础的延性耗竭和时间分数等模型，这类方法通过揭示热机械疲劳过程中物理损伤行为建立物理模型，包括Neu-Sehitoglu模型、Miller模型和J积分模型。这类方法虽然公式的理论推导比较严谨，但由于没有考虑构件实际所面临的服役状态和最主要的影响因素，使得在寿命预测过程中常出现非保守或过于保守的结果出现，同时该方法对不同构件的疲劳寿命缺乏适用性。因此，针对金属构件热机械疲劳失效问题，急需一种相对简单、准确的疲劳寿命预测方法。

发明内容

为了克服现有热机械疲劳寿命预测方法存在的上述问题，本发明的目的在于提供一种基于不同约束条件下的金属构件热机械疲劳寿命预测方法，该方法考虑高温构件运行中的约束行为，通过不同约束下的加速试验，利用能量模型，提供了一种简便的构件寿命预测模型。利用载荷谱数据、能量模型参数和少量热机械疲劳实验数据，考虑最危险状态时的约束条件，用以实现构件热机械疲劳寿命的准确预测。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种基于不同约束条件下的金属构件热机械疲劳寿命预测方法，该方法基于构件服役载荷谱，确立了约束下热机械疲劳失效形式。通过对材料约束条件下的加速热机械疲劳试验，在传统的能量模型基础上，建立不同约束条件下简便的寿命预测模型。并实现了从材料到构件的服役疲劳寿命预测。该方法包括如下步骤：

(1)分析服役构件的实际服役工况，建立构件服役载荷谱；载荷谱中包括构件服役温度T、机械应变Δε_m、热应变Δε_th和约束系数η随时间变化关系图；所述约束系数η＝Δε_m/Δε_th；

(2)获取能够合理反映材料服役行为的热机械疲劳试验条件，确定试验中的疲劳载荷范围，包括服役温度范围、机械应变范围、热应变范围以及约束系数，其中疲劳载荷具备的特征为：机械载荷随时间周期性变化，温度随时间周期性变化，同时约束系数保持恒定；

在实验中，可以确定试验最高温度、最低温度、加热速率、冷却速率、高温保持时间、低温保持时间和约束系数等热机械疲劳试验的重要控制参数。实验室中普遍采用的热机械疲劳试验波形包括同相位(IP，最大拉伸应变对应最高温度)和反相位(OP，最大压缩应力对应最高温度)。该方法对于同相位及反相位热机械疲劳均适用。

(3)步骤(2)确定的疲劳载荷范围，进行不同约束条件下热机械疲劳加速实验，获得不同约束系数η时的循环塑性应变Δε_p、应力范围Δσ、每个周次滞回能W_i(每个周次滞回环面积)和循环周次N_f等。根据每个周次滞回能W_i计算稳定状态滞回能W_s(W_s为中值寿命对应的滞回能W_i)；

每个周次滞回能W_i(单周滞回能)通过公式(1)计算，或者通过Origin等软件直接获取；

W_i＝∫σdε (1)；

步骤(4)：基于不同约束条件下的稳定状态滞回能数值和演化关系，建立稳定状态滞回能W_s和约束系数η之间的演化关系(公式(2))，获得相应的材料参数A,B,γ：

W_s＝f(η)＝Aexp(γη^-2)+B (2)；

步骤(4)：基于能量损伤理论，确立稳定状态滞回能W_s与疲劳寿命N_f的关系方程，并获得材料参数W₀和β的数值；

如果把样品的疲劳损伤看作是由于塑性功对其输入的结果，同时考虑应力和应变的综合作用，为此，在每一次循环变形过程中样品的疲劳损伤量可以定义为公式(6)：

当材料达到它所能承载的最大的损伤D＝1时，认为材料疲劳断裂，即(公式(7))：

式中：W_s为该条件下的稳定循环塑性应变能，W₀和β是与材料加载条件无关的材料常数，N_f为疲劳寿命。

(5)根据能量累积损伤模型，确立稳定状态滞回能W_s与疲劳寿命N_f的关系方程，并获得材料参数W₀和β的数值；

稳定状态滞回能W_s与疲劳寿命N_f的关系方程如公式(3)；

公式(3)中，W_s为稳定状态滞回能，试验中一般选取中值寿命对应的滞回能W_i。

步骤(6)：建立热机械疲劳寿命预测方程，把步骤(4)-(5)中获得的参数值带入热机械疲劳寿命预测方程中，然后根据热机械疲劳寿命预测方程计算不同约束条件下的热机疲劳寿命。建立的热机械疲劳寿命预测方程如公式(4)；

为了简化试验，至少各需要2个不同约束系数下的热机疲劳试验。

需要说明的，步骤(6)中的方程不仅能够准确预测疲劳寿命，还具有一定物理意义。从宏观上讲，W_s为中值寿命对应的滞回环面积，可以看作单次加载所做的塑性功。本征疲劳韧性W₀代表疲劳裂纹扩展抗性；疲劳损伤指数β则表征疲劳损伤抗性，为将外界作用程度转化成损伤材料的能量的能力，包括疲劳引起的相开裂以及时间相关的损伤(氧化、蠕变等。从微观上讲，W₀与材料断裂韧性有关，W₀增大表示材料所容纳疲劳损伤极限增加；而β值将与材料微观结构(如位错、孪晶、孔洞及裂纹)的演化有关，β变小时，在相同外界塑性功作用下，材料内部很容易产生缺陷以及使原有缺陷(如孔洞、裂纹等)扩大，从而造成其损伤程度提高。本发明的优点和有益效果如下：

1、采用能量模型，对不同约束条件的热机械疲劳寿命预测，具有良好的适用性。

2、模型综合了实际工况条件和能量法模型的优点，具有物理意义明确、预测准确、适用性高的特点。同时可以准确地评估构件的服役寿命。

3、该模型通过严谨、简单的理论推导，利用少量热机械加速试验数据，更准确地模拟实际服役工况，极大程度节约时间、人力和金钱成本。

4、该方法可以通过约束热机械疲劳加速测试，即可实现材料热机械疲劳寿命的准确预测，同时也可用于构件在实际服役条件下的性能评估。该方法可以应用于燃气轮机叶片、涡轮盘和内燃机缸盖活塞等处于约束条件下的高温合金和耐热金属材料的热机械疲劳寿命预测。

附图说明

图1是金属构件的热机械疲劳寿命预测方法流程图。

图2是活塞构件载荷谱和热机械疲劳试验加载条件；其中：(a)为活塞顶部载荷曲线；(b)为加速试验参数；(c)为热应变和热扩展系数。

图3是活塞用铸铝材料不同约束比下热机械疲劳循环滞回环；其中：(a)为反相位热机械疲劳滞回曲线(OP-TMF)；(b)为同相位热机械疲劳滞回曲线(IP-TMF)。

图4是活塞用铸铝材料不同约束比下热机械疲劳循环滞回能演变；其中：(a)为同相位热机械疲劳滞回曲线(IP-TMF)；(b)为反相位热机械疲劳滞回曲线(OP-TMF)。

图5是活塞用铸铝材料热机械疲劳寿命预测结果；其中：(a)为滞回能和1/η曲线；(b)为预测结果。

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：

本实施例是对活塞用铸铝材料热机械疲劳工况进行寿命预测，预测流程如图1所示，具体过程如下：

第一，铸铝材料取自柴油发动机活塞，根据工况条件，绘制活塞构件最易失效部位温度、热应变、机械应变和约束系数η随时间变化的载荷谱。危险状态时的约束比为-0.11，如图2(a)。

第二，根据实际工况，进行约束状态下热机械疲劳加速实验，加载条件如图2(b)所示。试验循环温度范围为120～425℃，加载约束系数为从-1.5到1.5(同相位：η＝-0.75,-1.0,-1.25,-1.5；反相位为η＝0.75,1.0,1.25,1.5)。基于热扩展系数确定加载总应变，如图2(c)所示。升降温速率为5℃/s。

第三，获取不同约束条件下热机械疲劳循环行为和疲劳寿命，并获得相应的循环塑性应变Δε_p、应力Δσ、每个周次滞回能W_i和循环周次N_f；每个周次滞回能W_i是指每个周次滞回环面积；循环滞回环如图3。根据每个周次滞回能W_i计算稳定状态滞回能W_s；W_s为中值寿命对应的滞回能W_i。

W_i＝∫σdε (1)；

第四，建立稳定状态滞回能W_s和约束系数η之间的演化关系(图4)，如公式(2)，并获得相应的材料参数A、B和γ；

W_s＝f(η)＝Aexp(γη^-2)+B (2)；

对于本试验参数分别为：γ＝-1.213；A＝1.457；B＝0.021。

第五，根据能量累积损伤模型，确定120～425℃温度循环时，稳定状态滞回能W_s与疲劳寿命N_f的关系方程公式(3)，并获得相应的参数W₀和β的数值。

对于本试验参数分别为：β＝2.54，W₀＝4.211MJ/m³。

第六，建立热机械疲劳寿命预测方程，如公式(4)所示；然后将所得的参数A、B、γ、W₀和β的数值代入公式(4)中，然后即可根据公式(4)计算不同约束条件下的热机疲劳寿命。与实际测得的实验数据对比，图5显示了预测值与实际值的结果及误差带图，即实际寿命分布在的2倍之内。

第七，根据实际工况，危险状态时的约束比η₀为-0.11，如图2(a)。

N_f|_η＝-0.11＝150730 (5)；

将η₀＝-0.11代入公式(4)，计算在目标约束条件下服役构件最终寿命。

Claims

1.一种基于不同约束条件下的金属构件热机械疲劳寿命预测方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：

(1)分析服役构件的实际服役工况，建立构件服役载荷谱，载荷谱中包括温度T、机械应变Δε_m、热应变Δε_th和约束系数η随时间变化关系图；所述约束系数η＝Δε_m/Δε_th；

(2)确定构件进行热机械疲劳的疲劳载荷范围，包括服役温度范围、机械应变范围、热应变范围以及约束系数，其中疲劳载荷具备的特征为：机械载荷随时间周期性变化，温度随时间周期性变化，同时约束系数保持恒定；

(3)根据步骤(2)确定的疲劳载荷范围，选择在相应的温度范围和约束条件下进行热机械疲劳加速试验，获得不同约束系数η时的循环塑性应变Δε_p、应力范围Δσ、每个周次滞回能W_i和循环周次N_f；每个周次滞回能W_i是指每个周次滞回环面积；根据每个周次滞回能W_i计算稳定状态滞回能W_s；

(4)通过分析不同约束条件下的稳定状态滞回能数据，建立稳定状态滞回能W_s和约束系数η之间的演化关系，并获得相应的材料参数A、B和γ；

(6)建立热机械疲劳寿命预测方程，把步骤(4)-(5)中获得的参数值带入热机械疲劳寿命预测方程中，然后根据热机械疲劳寿命预测方程计算不同约束条件下的热机疲劳寿命；

步骤(3)中，每个周次滞回能W_i通过Origin软件直接获取；

步骤(4)中，稳定状态滞回能W_s和约束系数η之间的演化关系公式(2)如下：

W_s＝f(η)＝Aexp(γη^-2)+B (2)；

步骤(5)中，稳定状态滞回能W_s与疲劳寿命N_f的关系方程如公式(3)；

公式(3)中，W_s为稳定状态滞回能，试验中选取中值寿命对应的滞回能W_i；

步骤(6)中，在能量累计损伤模型的基础上，考虑约束系数对滞回能的影响，建立的热机械疲劳寿命预测方程如公式(4)；

2.根据权利要求1所述的基于不同约束条件下的金属构件热机械疲劳寿命预测方法，其特征在于：步骤(1)中，热机械疲劳实验机械应变范围及温度范围需根据实际工况条件选取，且机械载荷变化周期与温度载荷变化周期相同，热应变是由于温度变化引起，同时约束系数保持恒定。

3.根据权利要求1所述的基于不同约束条件下的金属构件热机械疲劳寿命预测方法，其特征在于：步骤(2)中，热机械疲劳实验温度和应变需选择热机械疲劳工况对应的最容易失效状态。

4.根据权利要求1所述的基于不同约束条件下的金属构件热机械疲劳寿命预测方法，其特征在于：步骤(2)中根据实际服役工况，选择不同的约束条件下进行加速热机械疲劳试验。

5.根据权利要求1所述的基于不同约束条件下的金属构件热机械疲劳寿命预测方法，其特征在于：步骤(6)中，根据加速约束热机械疲劳试验数据求得相应参数，至少需要2个不同约束条件下的热机疲劳数据，基于公式(4)获得构件的服役参考时间。