CN112824867B - 一种测试金属材料疲劳极限的方法以及装置 - Google Patents

Abstract

本公开涉及一种测试金属材料疲劳极限的方法以及装置，该方法包括：在确定金属材料试样与疲劳试验机发生共振时，获取所述疲劳试验机在预设周期内按照预设频率加载的应力的第一应力幅值；获取在到达所述预设周期的预设时长时所述金属材料试样表面的第一温升值；根据所述第一应力幅值和所述第一温升值循环执行参数获取步骤，直至所述金属材料试样发生疲劳失效，得到应力幅值集和温升值集；根据所述应力幅值集和所述温升值集确定所述金属材料的疲劳极限，只需一个金属材料试样即可得到该金属材料的疲劳极限，节约了成本。

Description

一种测试金属材料疲劳极限的方法以及装置

技术领域

本公开涉及金属材料疲劳特性测试技术领域，具体地，涉及一种测试金属材料疲劳极限的方法以及装置。

背景技术

工程实际中如汽车、高速列车、轮船以及航空等领域中的大多数金属材料的结构都承受着循环交变载荷，虽然这些结构的设计满足静强度的要求，但是在服役一定的时间以后，依然会发生失效破坏。这种失效破坏也被称之为疲劳破坏，其原因在于这些材料或结构的实际受载的局部应力要高于其疲劳极限，这就会造成在一定的循环载荷加载周次下，材料或结构就会发生疲劳断裂失效。因此，对材料或结构的疲劳极限的准确评估在工程设计中具有重要的意义，尤其在无限寿命设计准则当中，其要求材料或结构的受载应力要低于其疲劳极限，此时该材料或结构将永远(载荷循环周次＞10⁷)不会发生疲劳失效。

对材料或结构疲劳极限的测定，传统做法是采用升降法对材料或结构进行疲劳极限进行测定。在该方法中，至少要对13根试样进行疲劳试验，来确定疲劳极限，而疲劳试验是非常耗时的。由于加载频率大小的限制，单单一根循环10⁷周次的疲劳试验就需要277.8天(加载频率10Hz)。因此采用升降法的疲劳试验测定材料或结构的疲劳极限不仅耗时，且成本较高。

发明内容

本公开的目的是提供一种金属材料疲劳极限测试方法以及装置，以解决采用升降法的疲劳试验测定材料或结构的疲劳极限不仅耗时，且成本较高的问题。

为了实现上述目的，本公开第一方面提供一种测试金属材料疲劳极限的方法，包括：

在确定金属材料试样与疲劳试验机发生共振时，获取所述疲劳试验机在预设周期内按照预设频率加载的应力的第一应力幅值；其中，所述预设频率在1万赫兹至10万赫兹之间，所述预设周期的时长在0.5秒至2秒之间；

获取在到达所述预设周期的预设时长时所述金属材料试样表面的第一温升值，所述预设时长在0.05秒至0.2秒之间；

根据所述第一应力幅值和所述第一温升值循环执行参数获取步骤，直至所述金属材料试样发生疲劳失效，得到应力幅值集和温升值集；

根据所述应力幅值集和所述温升值集确定所述金属材料的疲劳极限。

可选地，所述参数获取步骤包括：

将所述第一应力幅值增加预设幅值增量，得到第二应力幅值，并将所述第二应力幅值添加至所述应力幅值集，并控制所述疲劳试验机在所述预设周期内按照所述预设频率增加加载的应力，以使得加载的应力的应力幅值为所述第二应力幅值；

基于所述疲劳试验机按照所述第二应力幅值加载的应力，获取在到达所述预设周期的所述预设时长时所述金属材料试样表面的第二温升值，并将所述第二温升值添加至所述温升值集；

若所述金属材料试样未发生疲劳失效，在所述金属材料表面温度下降到所述预设温度后，将所述第二应力幅值更新为新的所述第一应力幅值。

可选地，所述根据所述第一应力幅值和所述第一温升值循环执行参数获取步骤前，所述方法还包括：

在所述预设周期时长后，控制所述疲劳试验机停止加载应力；

控制所述疲劳试验机停止加载应力后，采集金属材料试样的表面温度；

所述根据所述第一应力幅值和所述第一温升值循环执行参数获取步骤包括：

在确定所述表面温度下降到预设温度时，根据所述第一应力幅值和所述第一温升值循环执行参数获取步骤。

可选地，所述获取在到达所述预设周期的预设时长时所述金属材料试样表面的第一温升值包括：

获取在到达所述预设周期的预设时长时所述金属材料试样横截面积最小处表面的第一温升值。

可选地，所述根据所述应力幅值集和所述温升值集确定所述金属材料的疲劳极限包括：

根据应力幅值集得到应力幅值集的第一对数值集；

根据所述温升值集得到所述温升值集的第二对数值集；

获取所述第一对数值集和所述第二对数值集在预设坐标系中的多个数据点，所述预设坐标系用于表示所述第一对数值集和所述第二对数集的对应关系；

对所述多个数据点进行曲线拟合，得到第一直线和第二直线；

将所述第一直线和所述第二直线的交点所对应的所述应力幅值，确定为所述金属材料的疲劳极限。

本公开第二方面提供一种测试金属材料疲劳极限的装置，包括：

应力幅值获取模块，用于在确定金属材料试样与疲劳试验机发生共振时，获取所述疲劳试验机在预设周期内按照预设频率加载的应力的第一应力幅值；其中，所述预设频率在1万赫兹至10万赫兹之间，所述预设周期的时长在0.5秒至2秒之间；

温升值获取模块，用于获取在到达所述预设周期的预设时长时所述金属材料试样表面的第一温升值，所述预设时长在0.05秒至0.2秒之间；

参数获取步骤执行模块，用于根据所述第一应力幅值和所述第一温升值循环执行参数获取步骤，直至所述金属材料试样发生疲劳失效，得到应力幅值集和温升值集；

疲劳极限确定模块，用于根据所述应力幅值集和所述温升值集确定所述金属材料的疲劳极限。

可选地，所述参数获取步骤执行模块用于：

将所述第一应力幅值增加预设幅值增量，得到第二应力幅值，并将所述第二应力幅值添加至所述应力幅值集，并控制所述疲劳试验机在所述预设周期内按照所述预设频率增加加载的应力，以使得加载的应力的应力幅值为所述第二应力幅值；

基于所述疲劳试验机按照所述第二应力幅值加载的应力，获取在到达所述预设周期的所述预设时长时所述金属材料试样表面的第二温升值，并将所述第二温升值添加至所述温升值集；

若所述金属材料试样未发生疲劳失效，在所述金属材料试样表面温度下降到所述预设温度后，将所述第二应力幅值更新为新的所述第一应力幅值。

可选地，所述装置还包括：

加载应力停止模块，用于在所述预设周期时长后，控制所述疲劳试验机停止加载应力；

温度采集模块，用于控制所述疲劳试验机停止加载应力后，采集所述金属材料试样的表面温度；

所述参数获取步骤执行模块用于：

在确定所述表面温度下降到预设温度时，根据所述第一应力幅值和所述第一温升值循环执行参数获取步骤。

可选地，所述温升值获取模块用于：

获取在到达所述预设周期的预设时长时所述金属材料试样横截面积最小处表面的第一温升值。

可选地，所述疲劳极限确定模块用于：

根据应力幅值集得到应力幅值集的第一对数值集；

根据所述温升值集得到所述温升值集的第二对数值集；

获取所述第一对数值集和所述第二对数值集在预设坐标系中的多个数据点，所述预设坐标系用于表示所述第一对数值集和所述第二对数集的对应关系；

对所述多个数据点进行曲线拟合，得到第一直线和第二直线；

将所述第一直线和所述第二直线的交点所对应的所述应力幅值，确定为所述金属材料的疲劳极限。

本公开第三方面提供一种存储介质，其上存储有程序，该程序被处理器执行时实现第一方面中任一项所述方法的步骤。

本公开第四方面提供一种电子设备，所述设备包括：

存储器，其上存储有计算机程序；

处理器，用于执行所述存储器中的所述计算机程序，以实现第一方面中任一项所述的方法。

通过上述技术方案，能够在确定金属材料试样与疲劳试验机发生共振时，获取该疲劳试验机在预设周期内按照预设频率加载的应力的第一应力幅值；获取在到达该预设周期的预设时长时该金属材料试样表面的第一温升值；根据该第一应力幅值和该第一温升值循环执行参数获取步骤，直至该金属材料试样发生疲劳失效，得到应力幅值集和温升值集；根据该应力幅值集和该温升值集确定该金属材料的疲劳极限，只需一个金属材料试样即可得到该金属材料的疲劳极限，节约了成本，并且不需要对金属材料的试样进行10⁷周次的疲劳试验即可获取金属材料的疲劳极限，大大缩短了测试的时间。

本公开的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本公开的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本公开，但并不构成对本公开的限制。在附图中：

图1是根据一示例性实施例示出的一种测试金属材料疲劳极限的系统的结构示意图；

图2是根据一示例性实施例示出的一种测试金属材料疲劳极限的方法的流程图；

图3是根据一示例性实施例示出的另一种测试金属材料疲劳极限的方法的流程图；

图4是根据一示例性实施例示出的一种铜材料的试样的尺寸图；

图5是根据一示例性实施例示出的一种温升与应力加载周次之间的关系图；

图6是根据一示例性实施例示出的一种第一对数值集和第二对数值集的对应关系图；

图7是根据一示例性实施例示出的铜材料的疲劳寿命的对数值与应力幅值的对数值之间的对应关系图；

图8是根据一示例性实施例示出的一种测试金属材料疲劳极限的装置的框图；

图9是根据一示例性实施例示出的另一种测试金属材料疲劳极限的装置的框图；

图10是根据一示例性实施例示出的一种电子设备的框图。

具体实施方式

以下结合附图对本公开的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本公开，并不用于限制本公开。

图1是根据一示例性实施例示出的一种测试金属材料疲劳极限的系统的结构示意图。如图1所示，该系统包括：控制器101、疲劳试验机102、温度传感器103以及试样104。控制器101分别与疲劳试验机102和温度传感器103连接，试样104分别与疲劳试验机102和温度传感器103连接。

在本实施例中，疲劳试验机102为超声波疲劳试验机，用于对试样104以20kHz超高频率进行循环加载应力进行疲劳试验，试验的应力比为-1。超声波疲劳试验机通过超声波频率发生器产生20kHz的高频正弦信号，然后通过超声波疲劳试验机上的压电换能器将该高频信号转换为相同频率的振动，然后通过超声波疲劳试验机上的放大器再将该振动信号的幅值放大到预设值。在本实施例中，试样与压电换能器、放大器一起构成谐振系统，金属材料试样的尺寸满足预设尺寸，预设尺寸的金属材料试样能够和该谐振系统能产生共振。示例性地，可以预先在试样表面喷涂黑色哑光漆以提高试样表面的热辐射率，并将试样安装到超声波疲劳试验机上。

温度传感器103用于在疲劳试验机102按照超高加载频率例如20kHz的频率循环加载应力的过程中获取试样104的表面温度。在本实施例中，试样104的材料为金属材料。可选地，温度传感器可以为红外热像仪，红外热像仪可以实现对试样104实时、非接触、无损、高采样频率的温度采集。

进一步地，架设红外热像仪后，调整红外热像仪位置，使试样的成像在红外热像仪视野中。本实施例中采用美国FLIR型号为SC7700的红外热像仪，该款红外热像仪具有很高的热灵敏度，测温精度可达25mk，室温下的噪声级低于0.02℃，其分辨率为512×640像素。

控制器101用于根据疲劳试验机102加载的应力的应力幅值和温度传感器采集的金属材料试样104的表面温度，确定该金属材料的疲劳极限。

下面结合具体的实施例，对本发明提供的测试金属材料疲劳极限的系统如何测试金属材料的疲劳极限进行说明。

图2是根据一示例性实施例示出的一种测试金属材料疲劳极限的方法的流程图。如图2所示，该方法包括：

S201、在确定金属材料试样与疲劳试验机发生共振时，获取该疲劳试验机在预设周期内按照预设频率加载的应力的第一应力幅值。

在本实施例中，疲劳试验机为超高频疲劳试验机，可以在预设周期内按照例如的频率加载应力。例如，预设频率在10kHz-100kHz之间，例如该预设频率可以为20kHz。预设周期的时长在0.5s-2s之间。例如，预设周期的时长可以为1s。

示例性地，超声波疲劳试验机的加载应力设置为达到共振条件的最小起振应力，并确定在该最小起振应力下，该金属材料试样与疲劳试验机发生共振时，获取该最小起振应力的第一应力幅值。

S202、获取在到达该预设周期的预设时长时该金属材料试样表面的第一温升值。

进一步地，该预设时长小于该预设周期的时长。例如，当该预设周期的时长为1s时，该预设时长在0.05s-0.2s之间。例如，该预设时长可以为0.1s。

示例性地，控制温度传感器例如红外成像仪采集疲劳试验机加载应力前的金属材料试样表面的第一温度，并在疲劳试验机开始按照在预设周期内按照预设频率加载应力，并且在到达预设时长时，控制红外成像仪采集该属材料试样表面的第二温度，并根据第一温度和第二温度确定该金属材料试样在该预设时长时刻的第一温升值。

S203、根据该第一应力幅值和该第一温升值循环执行参数获取步骤，直至该金属材料试样发生疲劳失效，得到应力幅值集和温升值集。

在本实施例中，参数获取步骤包括：

将该第一应力幅值增加预设幅值增量，得到第二应力幅值，并将该第二应力幅值添加至该应力幅值集，并控制该疲劳试验机在预设周期内按照预设频率增加加载的应力，以使得加载的应力的应力幅值为该第二应力幅值；

基于该疲劳试验机按照该第二应力幅值加载的应力，获取在到达预设周期的预设时长时该金属材料试件表面的第二温升值，并将该第二温升值添加至该温升值集。第二温升值的确定方法与第一温升值的确定方法类似，本实施例此处不再赘述；

若该金属材料试样未发生疲劳失效，在该金属材料试样的表面温度下降到预设温度后，将该第二应力幅值更新为新的该第一应力幅值，并且将该第二温升值更新为新的第一温升值。进一步地，预设温度为可以为第一温度。

S204、根据该应力幅值集和该温升值集确定该金属材料的疲劳极限。

进一步地，得到该应力幅值集和该温升值集，根据该应力幅值集和温升值集的对应关系得到该应力幅值集和该温升值集在坐标系中的多个数据点，并对该多个数据点进行曲线拟合，得到第一直线和第二直线，确定该第一直线和第二直线的交点对应的应力幅值为疲劳极限。

另外，需要说明的是，为了使根据该应力幅值集和该温升值集确定的该金属材料的疲劳极限更加准确，在步骤S203中，预设幅值增量不应过大，以使应力幅值集和该温升值集在坐标系中的多个数据点的个数不能过少。同时，预设幅值增量不应过小，以免影响试验测试效率。

采用上述方案，能够在确定该金属材料试样与疲劳试验机发生共振时，获取该疲劳试验机在预设周期内按照预设频率加载的应力的第一应力幅值；获取在到达该预设周期的预设时长时该金属材料试样表面的第一温升值；根据该第一应力幅值和该第一温升值循环执行参数获取步骤，直至该金属材料试样发生疲劳失效，得到应力幅值集和温升值集；根据该应力幅值集和该温升值集确定该金属材料的疲劳极限，只需一个金属材料试样即可得到该金属材料的疲劳极限，节约了成本，并且不需要对金属材料的试样进行10⁷周次的疲劳试验即可获取金属材料的疲劳极限，大大缩短了测试的时间。

下面结合图3实施例，对本公开提供的测试金属材料的疲劳极限的方法作进一步详细说明。图3是根据一示例性实施例示出的另一种测试金属材料疲劳极限的方法的流程图。如图3所示，该方法包括：

S301、在确定金属材料试样与疲劳试验机发生共振时，获取该疲劳试验机在预设周期内按照预设频率加载的应力的第一应力幅值。

本实施例提供的S301与图2实施例提供的S201类似，本实施例此处不再赘述。

S302、获取在到达该预设周期的预设时长时该金属材料试样横截面积最小处表面的第一温升值。

示例性地，金属材料试样在其横截面积最小处应力、应变是最大的，因此横截面积最小处为该金属材料试样发生疲劳失效的危险截面，并且该处在疲劳试验机在预设周期内按照预设频率加载应力时温升最大，因此将该处表面在该预设周期的预设时长时的温升值作为第一温升值。

例如在本实施例中，红外成像仪按照预设采样频率(100Hz)实时采集金属材料试样在其横截面积最小处的表面温度值。在加载应力前，将红外成像仪按照100Hz采集的金属材料试样在横截面积最小处的表面平均温度作为第一温度，并在疲劳试验机开始按照在预设周期内按照预设频率加载应力，并且在达到预设时长时，将红外成像仪采集的金属材料试样在横截面积最小处的表面平均温度作为第二温度，并根据第一温度和第二温度确定该金属材料的试样在该预设时长的第一温升值。

具体可参见图4，图4是根据一示例性实施例示出的一种铜材料的试样的尺寸图。如图4所示，该试样40包括连接段41和测试段42，连接段41用于与疲劳试验机固定连接。疲劳试验机加载的应力主要作用于测试段42。该测试段42包括一段圆弧过渡段421，并且该过渡段421存在横截面积最小处，将在该预设周期的预设时长时该横截面积最小处的温升值作为第一温升值。并且如图4所示的金属材料试样的尺寸满足预设尺寸，预设尺寸的金属材料试样能够和该谐振系统产生共振。

疲劳试验机在预设周期内按照预设频率加载应力的预设时长(比如0.1s)时，金属材料试样在横截面积最小处的第一温升值，认为是没有发生金属材料试样内部热传导，以及金属材料试样与外界环境热交换的绝热温升。

S303、在该预设周期时长后，控制该疲劳试验机停止加载应力；

S304、控制该疲劳试验机停止加载应力后，采集该金属材料试样的表面温度；

S305、在确定该表面温度下降到预设温度时，根据该第一应力幅值和该第一温升值循环执行参数获取步骤，直至该金属材料试样发生疲劳失效，得到应力幅值集和温升值集。

此处以铜材料试样为例进行说明。超高频疲劳试验机在1s内按照20kHz的频率加载铜材料试样最小起振应力，最小起振应力的应力幅值，即第一应力幅值为91MPa。并在1s内按照20kHz的频率加载最小起振应力后，控制该超高频疲劳试验机停止加载应力。

进一步地，控制该超高频疲劳试验机停止加载应力后，采集该铜材料试样在横截面积最小处的表面温度，在确定该横截面积最小处的表面温度下降到预设温度时，根据该第一应力幅值和该第一温升值循环执行参数获取步骤。进一步地，预设温度为超高频疲劳试验机加载应力前，金属材料试样在横截面积最小处表面的第一温度。

同样地，此处以铜材料试样为例，对参数获取步骤进行说明。将91MPa的第一应力幅值增加3MPa，得到第二应力幅值94MPa，并将该第二应力幅值94MPa添加至该应力幅值集，并控制超高频疲劳试验机在1s内按照20kHz的频率增加加载的应力，以使得加载的应力的应力幅值为该第二应力幅值94MPa；

基于该疲劳试验机按照该第二应力幅值加载的应力，获取该第二应力幅值94MPa加载应力后的0.1s时刻，该铜材料的试样在横截面积最小处的第二温升值，并将该第二温升值添加至该温升值集；

同样的，在1s内按照20kHz的频率加载第二应力幅值94MPa对应的应力后，控制该超高频疲劳试验机停止加载应力。

若铜材料试样未发生疲劳失效，在该铜材料试样在横截面积最小处的表面温度下降到该预设温度后，将该第二应力幅值94MPa更新为新的该第一应力幅值，并且将该第二温升值更新为新的第一温升值。

循环执行参数，直至该铜材料试样发生疲劳失效，得到应力幅值集和温升值集。示例性地，该应力幅值集包括多个应力幅值，为：94MPa、97MPa、100MPa、103MPa、106MPa…。同样地，该温升值集中包括与分别与多个应力幅值对应的多个温升值。

S306、根据该应力幅值集得到该应力幅值集的第一对数值集；

S307、根据该温升值集得到该温升值集的第二对数值集；

S308、获取该第一对数值集和该第二对数值集在预设坐标系中的多个数据点，该坐标系用于表示该第一对数值集和该第二对数集的对应关系；

S309、对该多个数据点进行曲线拟合，得到第一直线和第二直线；

S310、将该第一直线和该第二直线的交点所对应的应力幅值，确定为该金属材料的疲劳极限。

进一步地，得到应力幅值集和温升值集后，对应力幅值集中的多个第一应力幅值分别取对数，得到第一对数值集。同样地，对温升值集中的多个第一温升值分别取对数，得到第二对数值集。

再获取第一对数集中的多个第一对数值和第二对数集中的多个第二对数值在预设坐标系中对应的多个数据点，该坐标系用于表示该第一对数值集中的多个第一对数值和第二对数集中多个第二对数值的对应关系。例如该预设坐标系的横坐标可以用于表示该第一对数集中的多个第一对数值，该预设坐标系的纵坐标可以用于表示该第一对数集中的多个第一对数值。

得到该多个数据点后，根据最小二乘法总体拟合误差最小原则，将所有数据点分成前后两部分，然后分别进行在预设坐标系下进行线性拟合，得到第一直线和第二直线。该第一直线和第二直线的交点所对应的应力幅值即为该金属材料的疲劳极限。

在本实施例中，将到达预设时长时刻的温升值作为该第一温升值来表征疲劳损伤状态具有明确的物理意义。结合热力学公式，金属材料在疲劳损伤过程中的热力耦合方程可以简化为公式：

公式(1)左边为温度项，右边为引起温度变化的热源项。式中：ρ和C分别为金属材料密度和比热容，为材料常数；θ＝T-T₀为平均温升，其中T为试验过程中平均温度，T₀为初始平均温度；t为时间；k为热传导系数；Δ为拉普拉斯算子；S_the为热弹性源；d₁为固有耗散能；r为外热源。

公式(1)中，热弹性源S_the由应力加载过程中的热弹性效应引起，其会使每个应力加载周次内的温度在平均温度上下波动，但不会引起平均温度的上升或下降，因此在取每个应力加载周次平均温度作为研究对象时，S_the可以忽略。固有耗散能d₁由疲劳损伤过程中，不可逆的塑性应变引起，而不可逆的塑性应变恰恰是导致疲劳发生不可逆损伤的原因，因此，由固有耗散d₁来表征疲劳损伤物理意义明确，因而十分恰当。S_the可以忽略的条件下，由温度求导固有耗散能d₁的热传导方程可以简化为：

公式(2)中，-kΔθ为发生在试样内部的热传导项，外热源r代表试样与外界环境进行的热交换。由公式(2)可知，要确定d₁则必须对热传导项以及热交换项进行评估，而热传导和热交换的大小受到金属材料的试样本身的尺寸、试样温度场、试样与夹具接触方式、外界环境等等都相关，因此进行准确地评估是非常困难的。

本公开中提出绝热温升，即借助于超声波疲劳试验机20kHz的超高加载频率，可以在预设时长内(如0.1s)可以加载2000周次的应力，加载2000周次的应力可以使得金属材料的试样显著积累一定的平均温升，使金属材料的试样第一温升值受噪声影响小。而且在这极短的时间内，金属材料的试样内部的热传导、金属材料的试样与环境之间的热交换都未来得及发生，因此，在这个极短时间的过程中，-kΔθ和r都可以忽略，而且温升呈线性增长，公式(2)可以进一步简写为：

式中θ_a即为绝热温升，因为ρ和C为常数且时间t相同(0.1s)，因此θ_a与固有耗散能d₁呈线性关系，第一温升值可以很好的表征疲劳损伤。

由公式(3)可知，绝热温升与耗散能是呈比例关系的，因此，在应力加载过程中，绝热条件的平均温升会随应力加载周次的增加而呈线性增长。具体地，以加载125MPa应力幅值对应的应力下为例，金属材料试样在横截面积最小处的温升随循环加载的应力周次的关系如图5所示，图5是根据一示例性实施例示出的一种温升与应力加载周次之间的关系图。控制疲劳试验机加载125MPa应力幅值对应的应力之前温升为0，当开始加载125MPa应力幅值对应的应力时，温升迅速提高，在开始阶段温升几乎以线性方式增长。从产热机理上来讲，金属材料的试样在应力加载的过程中，每个应力加载周次下的塑性功基本相同，而塑性功转换为热耗散的比例是不变的，因此总热耗散与循环周次是成正比的。如图5所示，在最初阶段平均温升随应力加载周次基本以线性方式增长，因此这个阶段，定义为绝热条件的阶段，选择应力加载开始后第2000个周次(应力加载开始0.1s时刻)的平均温升值作为表征疲劳损伤的绝热温升值。同时，如图5所示，在一定应力加载周次以后，实际温升值要低于理论上线性增长(虚线)的温升值，而这部分的差值正是由于热传导和热交换产生的热损失造成的。

并且在本实施例中，绝热温升可以通过红外成像仪非常方便以及准确地获取。相比于传统意义上的温度稳定阶段的温度或者特定应力加载下的温度作为特定参量，其温升值明显、不受环境影响、与金属材料损伤状态相关性更高，金属材料疲劳极限的评估结果会更加准确。并且采用本公开提供的测试金属材料的疲劳极限的测试方法的操作简单，可以快速完成一个应力幅值对应的加载应力下的温度采集。相比于基于传统的固有耗散的特定参量，θ_a的获取不需要材料参数以及对热传导、热损失的评估，因此获取简单，疲劳极限的评估结果也更加准确。

另外，由疲劳寿命与应力幅值的对应关系可知，疲劳极限以上和以下的应力幅值的对数值与疲劳寿命的对数值在坐标系下分别呈斜率不同的两条直线，两条直线的交点处的应力幅值即为疲劳极限。因此，选择绝热温升作为疲劳损伤参量来表征疲劳损伤状态，绝热温升的对数与应力幅值的对数应在该坐标系下也存在两条直线关系。因此，本公开提供的测试金属材料的疲劳极限的方法，通过将多个第一应力幅值对应的第一对数集和多个第一温升集对应的第二对数集在预设坐标系中的数据点拟合两条直线，并确定两条直线的交点对应的应力幅值为疲劳极限，与疲劳寿命与应力幅值的对应关系确定的疲劳极限完全吻合，因此，本公开提供的金属材料的疲劳极限测试方法得到的疲劳极限的结果也更加准确。

图6是根据一示例性实施例示出的一种第一对数值集和第二对数值集的对应关系图，如图6所示，根据第一对数值集和第二对数值集拟合的两条直线的交点对应的应力幅值为139.65MPa，即通过本公开提供的方法得到的铜材料疲劳极限为139.65MPa。

图7是根据一示例性实施例示出的铜材料的疲劳寿命的对数值与应力幅值的对数值之间的对应关系图。在传统疲劳极限测试领域，金属材料的疲劳极限定义为在金属材料承受10⁷周次的应力加载后还不会发生失效的最大应力。结合图7所示，通过传统疲劳极限试验可知该铜材料在疲劳寿命为10⁷周次时所对应的应力幅值为138.35MPa，即该铜材料的疲劳极限为138.35MPa。

本公开提供的方法确定的该铜材料的疲劳极限为139.65MPa，与传统疲劳极限测试得到的该铜材料的疲劳极限138.35MPa只有0.94％的误差，因此进一步证明了通过本公开提供的测试金属材料疲劳极限的方法具有非常好的预测精度。

采用上述方案，能够应力幅值集和温升值集的对应关系得到应力幅值集和温升值集在预设坐标系中的多个数据点，并对多个数据点进行曲线拟合得到两条直线，再确定两条直线的交点对应的应力幅值为金属材料的疲劳极限，由于温升值集中的多个第一温升值明显、不受环境影响、与金属材料损伤状态相关性更高，因此通过本公开的方法得到金属材料疲劳极限的更加准确，并且只需一个金属材料的试样即可得到该金属材料的疲劳极限，节约了成本，也不需要对金属材料试样进行10⁷周次的疲劳试验即可获取金属材料的疲劳极限，大大缩短了测试的时间。

图8是根据一示例性实施例示出的一种测试金属材料疲劳极限的装置的框图。如图8所示，该装置80包括：

应力幅值获取模块801，用于在确定金属材料试样与疲劳试验机发生共振时，获取该疲劳试验机在预设周期内按照预设频率加载的应力的第一应力幅值；其中，该预设频率在1万赫兹至10万赫兹之间，该预设周期的时长在0.5秒至2秒之间；

温升值获取模块802，用于获取在到达该预设周期的预设时长时该金属材料试样表面的第一温升值，该预设时长在0.05秒至0.2秒之间；

参数获取步骤执行模块803，用于根据该第一应力幅值和该第一温升值循环执行参数获取步骤，直至该金属材料试样发生疲劳失效，得到应力幅值集和温升值集；

疲劳极限确定模块804，用于根据该应力幅值集和该温升值集确定该金属材料的疲劳极限。

可选地，该参数获取步骤执行模块803用于：

将该第一应力幅值增加预设幅值增量，得到第二应力幅值，并将该第二应力幅值添加至该应力幅值集，并控制该疲劳试验机在该预设周期内按照所述预设频率增加加载的应力，以使得加载的应力的应力幅值为该第二应力幅值；

基于该疲劳试验机按照该第二应力幅值加载的应力，获取在到达该预设周期的该预设时长时该金属材料试样表面的第二温升值，并将该第二温升值添加至该温升值集；

若该金属材料试样未发生疲劳失效，在该金属材料试样的表面温度下降到该预设温度后，将该第二应力幅值更新为新的该第一应力幅值。

可选地，图9是根据图8所示实施例示出的一种测试金属材料疲劳极限的装置的框图，如图9所示，该装置80还包括：

加载应力停止模块805，用于在该预设周期时长后，控制该疲劳试验机停止加载应力；

温度采集模块806，用于控制该疲劳试验机停止加载应力后，采集该金属材料试样的表面温度；

该参数获取步骤执行模块803用于：

在确定该表面温度下降到预设温度时，根据该第一应力幅值和该第一温升值循环执行参数获取步骤。

可选地，该温升值获取模块802用于：

获取在到达该预设周期的预设时长时该金属材料试样横截面积最小处表面的第一温升值。

可选地，该疲劳极限确定模块804用于：

根据应力幅值集得到应力幅值集的第一对数值集；

根据该温升值集得到所述温升值集的第二对数值集；

获取该第一对数值集和该第二对数值集在预设坐标系中的多个数据点，该预设坐标系用于表示该第一对数值集和所述第二对数集的对应关系；

对该多个数据点进行曲线拟合，得到第一直线和第二直线；

将该第一直线和该第二直线的交点所对应的该应力幅值，确定为该金属材料的疲劳极限。

采用上述装置，能够应力幅值集和温升值集的对应关系得到应力幅值集和温升值集在预设坐标系中的多个数据点，并对多个数据点进行曲线拟合得到两条直线，再确定两条直线的交点对应的应力幅值为金属材料的疲劳极限，由于温升值集中的多个第一温升值明显，不受环境影响且与金属材料损伤状态相关性更高，因此通过本公开的方法得到的金属材料疲劳极限的更加准确，并且只需一个金属材料试样即可得到该金属材料的疲劳极限，节约了成本，也不需要对金属材料试样进行10⁷周次的疲劳试验即可获取金属材料的疲劳极限，大大缩短了测试的时间。

关于上述实施例中的装置，其中各个模块执行操作的具体方式已经在有关该方法的实施例中进行了详细描述，此处将不做详细阐述说明。图10是根据一示例性实施例示出的一种电子设备1000的框图。参照图10，电子设备1000包括处理器1022，其数量可以为一个或多个，以及存储器1032，用于存储可由处理器1022执行的计算机程序。存储器1032中存储的计算机程序可以包括一个或一个以上的每一个对应于一组指令的模块。此外，处理器1022可以被配置为执行该计算机程序，以执行上述的测试金属材料疲劳极限的方法。

另外，电子设备1000还可以包括电源组件1026和通信组件1050，该电源组件1026可以被配置为执行电子设备900的电源管理，该通信组件050可以被配置为实现电子设备1000的通信，例如，有线或无线通信。此外，该电子设备1000还可以包括输入/输出(I/O)接口1058。电子设备1000可以操作基于存储在存储器1032的操作系统，例如WindowsServerTM，Mac OS XTM，UnixTM，LinuxTM等等。

在另一示例性实施例中，还提供了一种包括程序指令的计算机可读存储介质，该程序指令被处理器执行时实现上述的测试金属材料疲劳极限的方法的步骤。例如，该计算机可读存储介质可以为上述包括程序指令的存储器1032，上述程序指令可由电子设备1000的处理器1022执行以完成上述的测试金属材料疲劳极限的方法。

在另一示例性实施例中，还提供一种计算机程序产品，该计算机程序产品包含能够由可编程的装置执行的计算机程序，该计算机程序具有当由该可编程的装置执行时用于执行上述的测试金属材料疲劳极限的方法的代码部分。

以上结合附图详细描述了本公开的优选实施方式，但是，本公开并不限于上述实施方式中的具体细节，在本公开的技术构思范围内，可以对本公开的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本公开的保护范围。另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本公开对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本公开的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本公开的思想，其同样应当视为本公开所公开的内容。

Claims (8)

1.一种测试金属材料疲劳极限的方法，其特征在于，包括：

在确定金属材料试样与疲劳试验机发生共振时，获取所述疲劳试验机在预设周期内按照预设频率加载的应力的第一应力幅值；其中，所述预设频率在1万赫兹至10万赫兹之间，所述预设周期的时长在0.5秒至2秒之间；

获取在到达所述预设周期的预设时长时所述金属材料试样表面的第一温升值，所述预设时长在0.05秒至0.2秒之间；所述第一温升值表征没有发生所述金属材料试样内部热传导以及所述金属材料试样与外界环境热交换的绝热温升；

根据所述第一应力幅值和所述第一温升值循环执行参数获取步骤，直至所述金属材料试样发生疲劳失效，得到应力幅值集和温升值集；

根据所述应力幅值集和所述温升值集确定所述金属材料的疲劳极限；

所述参数获取步骤包括：

将所述第一应力幅值增加预设幅值增量，得到第二应力幅值，并将所述第二应力幅值添加至所述应力幅值集，并控制所述疲劳试验机在所述预设周期内按照所述预设频率增加加载的应力，以使得加载的应力的应力幅值为所述第二应力幅值；

基于所述疲劳试验机按照所述第二应力幅值加载的应力，获取在到达所述预设周期的所述预设时长时所述金属材料试样表面的第二温升值，并将所述第二温升值添加至所述温升值集；

若所述金属材料试样未发生疲劳失效，在所述金属材料表面温度下降到预设温度后，将所述第二应力幅值更新为新的所述第一应力幅值。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述第一应力幅值和所述第一温升值循环执行参数获取步骤前，所述方法还包括：

在所述预设周期时长后，控制所述疲劳试验机停止加载应力；

控制所述疲劳试验机停止加载应力后，采集金属材料试样的表面温度；

所述根据所述第一应力幅值和所述第一温升值循环执行参数获取步骤包括：

在确定所述表面温度下降到预设温度时，根据所述第一应力幅值和所述第一温升值循环执行参数获取步骤。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获取在到达所述预设周期的预设时长时所述金属材料试样表面的第一温升值包括：

获取在到达所述预设周期的预设时长时所述金属材料试样横截面积最小处表面的第一温升值。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述应力幅值集和所述温升值集确定所述金属材料的疲劳极限包括：

根据应力幅值集得到应力幅值集的第一对数值集；

根据所述温升值集得到所述温升值集的第二对数值集；

获取所述第一对数值集和所述第二对数值集在预设坐标系中的多个数据点，所述预设坐标系用于表示所述第一对数值集和所述第二对数集的对应关系；

对所述多个数据点进行曲线拟合，得到第一直线和第二直线；

将所述第一直线和所述第二直线的交点所对应的所述应力幅值，确定为所述金属材料的疲劳极限。

5.一种测试金属材料疲劳极限的装置，其特征在于，包括：

应力幅值获取模块，用于在确定金属材料试样与疲劳试验机发生共振时，获取所述疲劳试验机在预设周期内按照预设频率加载的应力的第一应力幅值；其中，所述预设频率在1万赫兹至10万赫兹之间，所述预设周期的时长在0.5秒至2秒之间；

温升值获取模块，用于获取在到达所述预设周期的预设时长时所述金属材料试样表面的第一温升值，所述预设时长在0.05秒至0.2秒之间；所述第一温升值表征没有发生所述金属材料试样内部热传导，以及所述金属材料试样与外界环境热交换的绝热温升；

参数获取步骤执行模块，用于根据所述第一应力幅值和所述第一温升值循环执行参数获取步骤，直至所述金属材料试样发生疲劳失效，得到应力幅值集和温升值集；

疲劳极限确定模块，用于根据所述应力幅值集和所述温升值集确定所述金属材料的疲劳极限；

所述参数获取步骤执行模块用于：

将所述第一应力幅值增加预设幅值增量，得到第二应力幅值，并将所述第二应力幅值添加至所述应力幅值集，并控制所述疲劳试验机在所述预设周期内按照所述预设频率增加加载的应力，以使得加载的应力的应力幅值为所述第二应力幅值；

基于所述疲劳试验机按照所述第二应力幅值加载的应力，获取在到达所述预设周期的所述预设时长时所述金属材料试样表面的第二温升值，并将所述第二温升值添加至所述温升值集；

若所述金属材料试样未发生疲劳失效，在所述金属材料试样表面温度下降到预设温度后，将所述第二应力幅值更新为新的所述第一应力幅值。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：

加载应力停止模块，用于在所述预设周期时长后，控制所述疲劳试验机停止加载应力；

温度采集模块，用于控制所述疲劳试验机停止加载应力后，采集所述金属材料试样的表面温度；

所述参数获取步骤执行模块用于：

在确定所述表面温度下降到预设温度时，根据所述第一应力幅值和所述第一温升值循环执行参数获取步骤。

7.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述温升值获取模块用于：

获取在到达所述预设周期的预设时长时所述金属材料试样横截面积最小处表面的第一温升值。

8.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述疲劳极限确定模块用于：

根据应力幅值集得到应力幅值集的第一对数值集；

根据所述温升值集得到所述温升值集的第二对数值集；

获取所述第一对数值集和所述第二对数值集在预设坐标系中的多个数据点，所述预设坐标系用于表示所述第一对数值集和所述第二对数集的对应关系；

对所述多个数据点进行曲线拟合，得到第一直线和第二直线；

将所述第一直线和所述第二直线的交点所对应的所述应力幅值，确定为所述金属材料的疲劳极限。

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