CN111859619B - 一种利用硬度对热老化材料低周疲劳寿命的无损预测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种利用硬度对热老化材料低周疲劳寿命的无损预测方法，其特征在于：所述预测方法的步骤为：S1、测量并获得未老化及老化材料的应变‑寿命曲线；S2、测量材料在未老化及热老化过程中的表面硬度，并建立材料硬度与循环强度系数K’与循环应变硬化指数n’的数学关系；S3、将步骤S2中建立的K’与n’的数学关系代入Basquin‑Manson‑Coffin方程中，确立表面硬度与疲劳寿命的数学关系；S4、获得硬度与预测疲劳寿命之间的通用关系。本发明设计科学合理，测量简便快速，提高预测效率，能够为材料的使用安全提供保障；同时，仅需未老化及少量老化试验的数据，从而实现此材料下对所用老化温度和时长下的疲劳寿命进行预测，大大减少了实验数量。

Description

一种利用硬度对热老化材料低周疲劳寿命的无损预测方法
技术领域
本发明属于热老化下的疲劳寿命预测技术领域，涉及低周疲劳寿命预测，特别涉及一种利用硬度对热老化材料低周疲劳寿命的无损预测方法。
背景技术
核电用材料长期处于280～320℃范围内时易发生相转变导致热老化脆性，使得材料的塑性、韧性降低而硬度、脆性增加，从而增加了构件突发失效的可能性,影响核电站的安全运行。研究表明，热老化主要由不锈钢中铁素体相的不稳定性造成，包括铁素体的调幅分解及在铁素体与奥氏体相界处发生的析出反应等。
疲劳就是材料在循环应力和应变作用下，在一处或几处产生永久性累积损伤，经一定循环次数后产生裂纹或突然发生完全断裂的过程。而疲劳破坏是核电材料的主要失效形式。尤其是在热老化下的低周疲劳破坏更是核电材料的最主要的失效形式。因此对于热老化下的低周疲劳分析在设计中占有重要的地位。
在工程设备的设计与寿命评估工作中，往往需要通过试验测试材料的低周疲劳寿命，作为材料设计与评估的依据。但由于加速老化试验所需要的时间很长，而工程应用上往往不具备充足的老化时间。因此，以原始态材料的疲劳寿命为基础进行老化材料的寿命预测对于材料的寿命评估具有重要意义。
在工程设备的设计与寿命评估工作中，Basquin-Manson-Coffin被广泛采用。研究发现，核电材料热老化后的疲劳寿命能用Basquin-Manson-Coffin公式进行预测：
Figure BDA0002543111530000011
其中：
Figure BDA0002543111530000012
是总应变塑性振幅，σ′f是疲劳强度系数，b是疲劳强度指数，∈′f是疲劳延性系数，c是疲劳延性指数。
而硬度是材料的一个基本性能，且在热老化中，硬度随着热老化时间的变化而变化，根据硬度进行疲劳寿命的预测，充分考虑到了使用过程中强化的变化特征，使疲劳寿命预测更加科学和准确。且硬度的测量简单方便，对材料表面也没有太大的伤害，因此，通过表面硬度变化进行预测是一种简单、快速的无损预测方法。
本专利申请将硬度引入疲劳寿命的检测公式，能够直接利用热老化过程中材料测得的硬度来估算核电材料在热老化作用下的低周疲劳寿命，为核材料的安全提供有力的保障。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种利用硬度对热老化材料低周疲劳寿命的无损预测方法，测量简便快速，提高预测效率，能够为材料的使用安全提供保障。
本发明解决其技术问题是通过以下技术方案实现的：
一种利用硬度对热老化材料低周疲劳寿命的无损预测方法，其特征在于：所述预测方法的步骤为：
S1、测量并获得未老化及老化材料的应变-寿命曲线；
S2、测量材料在未老化及热老化过程中的表面硬度，并建立材料硬度与循环强度系数K’与循环应变硬化指数n’的数学关系；
S3、将步骤S2中建立的K’与n’的数学关系代入Basquin-Manson-Coffin方程中，确立表面硬度与疲劳寿命的数学关系；
S4、获得硬度与预测疲劳寿命之间的通用关系：
Figure BDA0002543111530000021
其中：
Figure BDA0002543111530000022
是总应变塑性振幅；
σ′f是疲劳强度系数；
b是疲劳强度指数；
∈′f是疲劳延性系数；
c是疲劳延性指数。
本发明的优点和有益效果为：
1、本发明的利用硬度对热老化材料低周疲劳寿命的无损预测方法，测量简便快速，提高预测效率，能够为材料的使用安全提供保障。
2、本发明的利用硬度对热老化材料低周疲劳寿命的无损预测方法，可以用过表面硬度测量，实现热老化材料的疲劳寿命的高效、无损预测；同时，该方法仅需未老化及少量老化试验的数据，从而实现此材料下对所用老化温度和时长下的疲劳寿命进行预测，大大减少了实验数量。
附图说明
图1为本发明不同幅值下疲劳寿命随热老化时间的变化曲线图；
图2为本发明弹性应变腐蚀随2倍疲劳寿命的变化趋势图；
图3为本发明不同应变幅值下的疲劳寿命与热老化时间关系图；
图4(a)为硬度与循环强度系数的关系曲线图，图4(b)为硬度与循环应变硬化指数的关系曲线图；
图5为本发明预测寿命与实验寿命的对比图；
图6为本发明预测寿命与实验寿命的另一对比图。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。
本实施例中以核电常用材料的铸造奥氏体不锈钢Z3CN20.09M的热老化下的恒幅单轴拉压应变载荷谱为例。
(1)测量未老化及老化材料的应变-寿命曲线
材料在未老化，老化300小时，老化1000小时，老化3000小时及老化10000 小时在应变腐蚀分别为0.2％，0.4％，0.6％及0.8％时的疲劳寿命随热老化时间的变化图如图1所示，弹性应变腐蚀随着2倍疲劳寿命的变化趋势如图2所示。由图可知，热老化后Basquin-Manson-Coffin公式中的参数
Figure BDA0002543111530000034
及b基本不变；对不同热老化时间的参数
Figure BDA0002543111530000034
及b进行拟合，得出热老化后的
Figure BDA0002543111530000031
b＝-0.1332。
(2)测量材料在未老化及热老化过程中的表面硬度，建立材料硬度与循环强度系数K’与循环应变硬化指数n’的数学关系
通过最小二乘法可求得循环强度系数K’以及循环应变硬化指数n’，如表1所示。
表1循环强度系数K’和循环应变硬化指数n’
Figure BDA0002543111530000032
Figure BDA0002543111530000041
采用HXD-2000TMC/LCD测量维氏硬度(HV)，分别在原始材料和两种老化材料中随机取10个测量压入点，试验力为10GF(即0.098N)，试验力保持10s，随后分别计算其平均值n以及标准偏差s，不同应变幅值下的疲劳寿命与热老化时间的关系如图3所示。
将硬度与循环强度系数K’以及循环应变硬化指数n’进行关联，硬度与循环强度系数K’以及循环应变硬化指数n’具有线性关系，如图4所示。
K'＝38.1103×HV–5333.8053
n'＝0.0038*HV–0.4213
(3)将K’与n’的关系代入Basquin-Manson-Coffin方程中，确立表面硬度与疲劳寿命的关系，材料的循环应力-应变行为反映了材料在低周疲劳加载条件下的真实应力-应变特性，其通常可以用循环应力-应变曲线来表示。循环应力-应变之间的关系可用下述指数定律来表达：
Figure BDA0002543111530000042
因此，可以得出材料Z3CN20.09M的基于硬度的热老化下的疲劳寿命预测方程式为：
Figure BDA0002543111530000043
由上式对材料进行低周疲劳寿命预测，与实际试验结果相对比，如图5所示。疲劳寿命预测模型预测结果与试验结果差异较小，均在2倍疲劳寿命范围内，证明该模型可以很好地预测实际结果。
(4)对于热老化实验而言，材料Z3CN20.09M的基于硬度的热老化下的疲劳寿命预测方程式为：
Figure BDA0002543111530000044
将350℃下热老化3000小时和10000小时的低周疲劳寿命用步骤(3)中的方程进行预测，如图6所示，疲劳寿命预测模型预测结果与试验结果差异较小，均在2 倍疲劳寿命范围内，证明该模型可以很好地预测材料Z3CN20.09M热老化下的疲劳寿命。
尽管为说明目的公开了本发明的实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的，因此，本发明的范围不局限于实施例和附图所公开的内容。

Claims (1)

1.一种利用硬度对热老化材料低周疲劳寿命的无损预测方法，其特征在于：所述预测方法的步骤为：
S1、测量并获得未老化及老化材料的应变-寿命曲线；
S2、测量材料在未老化及热老化过程中的表面硬度，并建立材料硬度与循环强度系数K’与循环应变硬化指数n’的数学关系；
S3、将步骤S2中建立的K’与n’的数学关系代入Basquin-Manson-Coffin方程中，确立表面硬度与疲劳寿命的数学关系，硬度与循环强度系数K’以及循环应变硬化指数n’具有线性关系；
S4、获得硬度与预测疲劳寿命之间的通用关系：
Figure FDA0003583929880000011
其中：
Figure FDA0003583929880000012
是总应变塑性振幅；
σ'f是疲劳强度系数；
b是疲劳强度指数；
∈'f是疲劳延性系数；
c是疲劳延性指数；
HV是维氏硬度；
Nf是疲劳寿命。
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Z3CN20.09M 不锈钢热老化-低周疲劳性能研究;周高斌等;《热加工工艺》;20190430;第48卷(第8期);第219-221、225页 *
考虑硬度分布的镁合金搅拌摩擦焊搭接接头疲劳寿命预测;毛志亮等;《热加工工艺》;20180228;第47卷(第3期);全文 *

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