CN113312817A - 一种小冲杆疲劳试验获得材料应变-寿命曲线的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种小冲杆疲劳试验获得材料应变‑寿命曲线的方法,涉及材料疲劳性能测试技术领域，具体包括：获取材料的最大载荷‑疲劳寿命曲线；获得材料混合硬化模型参数；建立小冲杆疲劳试验的有限元模型；确定小冲杆疲劳试样的临界面并求取临界面上的应力应变历史；确定材料能量‑寿命公式；确定单轴疲劳的材料应变‑寿命曲线。本发明的有益效果是，通过小冲杆疲劳试验、单次单轴疲劳试验以及有限元分析获得材料的应变‑寿命曲线；进而可以准确测试材料的疲劳性能，评估在役设备材料、局部微区材料以及新材料的疲劳性能，还可以节省大量材料，对在役设备材料、新材料以及局部微区的疲劳性能测试具有重要意义。

Description

一种小冲杆疲劳试验获得材料应变-寿命曲线的方法
技术领域
本发明涉及材料疲劳性能测试技术领域，尤其涉及一种小冲杆疲劳试验获得材料应变-寿命曲线的方法。
背景技术
石油化工、电力、航空航天等领域所使用的诸多设备或机械部件，长期在高温、高压、腐蚀及疲劳工况下服役，不可避免地出现材料的力学性能退化的问题。随着服役时间的积累，这些设备或机械部件面临着超期服役及更换等严峻问题：一方面，需要对这些设备或机械部件进行力学性能的评估以证明其是否有延寿工作的能力；另一方面，由于经济发展需求，各个行业的装置向紧凑型、超大型、应用新材料等方向发展，在装置更新的同时，又需要对新型材料进行力学性能测试。为了对在役设备进行寿命评估和新型材料、装置的开发与筛选，需要测试新旧设备材料的力学性能。
材料的疲劳性能是工程中评估材料力学性能的一个重要参数，工程上通常利用单轴疲劳试验进行材料疲劳性能测试，此种测试方法试样尺寸较大、取样具有破坏性且需要大量的重复试验，需要耗费巨大的时间及经济成本，具有很大的局限性。因此需要发展微试样方法测试材料的疲劳性能。
小冲杆疲劳试验法是一种新型的材料疲劳性能测试方法，其试样厚度一般为0.2-0.8mm范围内，经研究该方法可通过微小试样获得材料疲劳性能。但目前国内外针对小冲杆疲劳试验的研究很少，现有的研究只证明了小冲杆疲劳试验中材料属于疲劳破坏，但未证明小冲杆疲劳试验获得材料的疲劳性能是否可靠，即无法通过小冲杆疲劳试验获得材料的单轴疲劳试验结果。存在的问题主要是：小冲杆疲劳试验结果与单轴疲劳试验结果的关系不明确，无法通过小冲杆疲劳试验获得材料的单轴疲劳试验结果。由小冲杆疲劳试样应力状态复杂，属于多轴疲劳范畴，关联小冲杆疲劳与单轴疲劳的试验结果存在很大困难。
因此，研究小冲杆疲劳试验结果与单轴疲劳试验结果的关系，并通过小冲杆疲劳试验获得材料单轴疲劳性能具有重要意义。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明公开了一种小冲杆疲劳试验获得材料应变-寿命曲线的方法，可以获得材料的单轴疲劳性能，通过小冲杆疲劳试验、单次单轴疲劳试验以及有限元分析获得材料的应变-寿命曲线。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种小冲杆疲劳试验获得材料应变-寿命曲线的方法，具体包括以下步骤：
步骤一，进行多组小冲杆疲劳试验，获取材料的最大载荷-疲劳寿命曲线；
步骤二，通过单次单轴疲劳试验获得材料在单轴疲劳下的应力响应，获得材料混合硬化模型参数；
步骤三，建立小冲杆疲劳试验的有限元模型，输入材料的弹性模量、泊松比以及混合硬化模型参数，结合试验装置设置建立小冲杆疲劳试验的有限元模型；
步骤四，根据有限元计算结果确定小冲杆疲劳试样的临界面并求取临界面上的应力应变历史；
步骤五，根据步骤四确定的临界面上的应力应变分量以及步骤一中的最大载荷-寿命曲线，确定材料能量-寿命公式，该公式同时适用于单轴疲劳以及小冲杆疲劳；
步骤六，确定单轴疲劳的材料应变-寿命曲线。
进一步地，步骤二中，包括：
(21)进行一固定应变幅下的低周疲劳试验，获得循环应力应变响应；
(22)根据循环应力应变响应获得材料的弹性模量并标定材料的混合硬化模型参数；
(23)建立单轴疲劳的有限元模型，验证所标定材料混合硬化模型参数的正确性。
进一步地，步骤四，包括：
(41)选取小冲杆疲劳试样上最大等效塑性应变处的点为危险点并提取其应力应变历史；
(42)通过坐标变换公式获得危险点在任意斜面上的应力应变历史；
(43)确定最大正应变幅平面为临界面；
(44)确定临界面上的应力应变分量。
进一步地，步骤(42)中，记原坐标系为O-xyz，现将其沿正方向(逆时针方向)绕z轴旋转角度θ，将旋转后的坐标系再绕旋转后的y轴旋转角度
Figure BDA0003091734520000021
得到坐标系O-x'y'z'，则新坐标系下的应力应变矩阵σ'和ε'与原坐标系下的应力应变矩阵σ、ε有如下关系：
σ'＝M·σ·MT (1)
ε'＝M·ε·MT (2)
式中，M为坐标变换矩阵，其表达式为：
Figure BDA0003091734520000031
进一步地，步骤(43)中，斜面上正应变幅Δε1表达式为：
Figure BDA0003091734520000032
式中，Δε1为斜面上的正应变幅，定义该值最大时的平面为临界面；εx1、εx2分别为最大载荷和最小载荷下任意斜面上的正应变。
进一步地，步骤(44)中，临界面上的剪应变幅Δγ1表达式为：
Figure BDA0003091734520000033
式中，εxy1、εxz1为最大载荷下临界面上的剪应变分量，εxy2、εxz2为最小载荷下斜面上的剪应变分量。
进一步地，材料的能量-寿命表达式为：
Figure BDA0003091734520000034
式中，Δε1、Δσ1为临界面上的最大正应变幅和正应力幅，Δγ1、Δτ1为临界面上的剪应变幅和剪应力幅，A、B为材料参数，Nf为疲劳寿命。
进一步地，步骤六中，利用步骤二中建立的单轴疲劳有限元模型模拟单轴疲劳中不同应变幅下对应的应力响应，获得单轴疲劳的应变-能量关系，再结合步骤五中的能量-寿命公式，获得材料单轴疲劳的应变-寿命曲线。
本发明的有益效果是：
(1)解决了无法通过小冲杆疲劳试验获得材料的单轴疲劳试验结果的问题，结合试验以及计算机辅助技术，可以得到材料的疲劳性能。
(2)采用本发明测试材料疲劳性能时，可以节省大量的试验材料，对在役设备材料、新材料以及局部微区的疲劳性能测试具有重要意义。
(3)本发明可以通过微试样获得材料疲劳性能，可以分析严苛设备、局部微区以及新材料的疲劳性能，对在役设备完整性评估以及新材料开发具有重要意义。
附图说明
图1为本发明本发明实施例提供的小冲杆疲劳试验的最大载荷-寿命曲线；
图2为本发明实施例提供的单轴疲劳试验的有限元模型；
图3为本发明实施例提供的单轴疲劳试验模拟与试验应力响应对比曲线；
图4为本发明实施例提供的小冲杆疲劳试验的有限元模型；
图5为本发明实施例提供的小冲杆疲劳试验的危险点位置；
图6为本发明实施例提供的小冲杆疲劳试验的能量-寿命曲线；
图7为本发明实施例提供的本方法获得的应变-寿命曲线；
图8为本发明实施例提供的相同应变幅下获得的疲劳寿命与单轴疲劳试验获得疲劳寿命对比曲线。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明公开一种小冲杆疲劳试验获得材料应变-寿命曲线的方法，具体包括以下步骤：
(1)进行多组小冲杆疲劳试验，获取材料的最大载荷-疲劳寿命曲线。
对一延性材料进行多组小冲杆疲劳试验，获得如图1所示的最大载荷-疲劳寿命曲线。
本实施例的小冲杆疲劳试验设置为：试验为载荷控制，其加载比为0.1、波形为正弦波、频率为1Hz；冲杆直径为2.5mm；下夹具内孔圆角为R0.5mm，孔径为4.0mm；试样直径10.0mm，厚度为0.5mm。
(2)通过单次单轴疲劳试验获得材料在单轴疲劳下的应力响应，获得材料混合硬化模型参数。
具体包括：
(21)进行一固定应变幅下的低周疲劳试验，其试验加载应变率为5×10-3/s，应变幅为±0.7％，加载比R＝-1。
(22)根据循环应力-应变曲线获得材料的弹性模量并标定材料的混合硬化模型参数，其混合硬化模型参数主要包括描述随动硬化模型的C1、C2、C3和γ1、γ2、γ3以及描述各向同性硬化模型的σ|0、Q∞和b。
(23)建立如图2所示的单轴疲劳的有限元模型，验证所标定材料混合硬化模型参数的正确性；图3为单轴疲劳模拟与试验应力响应的对比曲线，二者曲线误差小于10％时认为标定的混合硬化模型参数是正确的。
(3)建立小冲杆疲劳试验的有限元模型，如图4所示，输入材料的弹性模量、泊松比以及混合硬化模型参数，结合步骤(1)试验装置设置建立小冲杆疲劳试验的有限元模型。
(4)根据有限元计算结果确定小冲杆疲劳试样的临界面并求取临界面上的应力应变历史。
具体包括：
(41)选取小冲杆疲劳试样上最大等效塑性应变处的点为危险点并提取其在一个循环中的应力应变历史。
其中，小冲杆疲劳试样上的危险点为图5中的最大等效塑性应变处的点。
(42)通过坐标变换公式获得危险点在任意斜面上的应力应变历史。
记原坐标系为O-xyz，现将其沿正方向(逆时针方向)绕z轴旋转角度θ，将旋转后的坐标系再绕旋转后的y轴旋转角度
Figure BDA0003091734520000054
得到坐标系O-x'y'z'，则新坐标系下的应力应变矩阵σ'和ε'与原坐标系下的应力应变矩阵σ、ε有如下关系：
σ'＝M·σ·MT
ε'＝M·ε·MT
式中，M为坐标变换矩阵，其表达式为：
Figure BDA0003091734520000051
(43)确定最大正应变幅平面为临界面，将θ、
Figure BDA0003091734520000055
分别从0-360°以0.1°的间隔变化确定该点的任意斜面，根据坐标变换公式，每个斜面上正应变幅Δε1表达式为：
Figure BDA0003091734520000052
式中，Δε1为斜面上的正应变幅，定义该值最大时的平面为临界面；εx1、εx2分别为最大载荷和最小载荷下任意斜面上的正应变。
(44)确定临界面上的应力应变分量。
临界面上的剪应变幅Δγ1表达式为：
Figure BDA0003091734520000053
式中，εxy1、εxz1为最大载荷下临界面上的剪应变分量，εxy2、εxz2为最小载荷下斜面上的剪应变分量。
(5)根据步骤四确定的临界面上的应力应变分量以及步骤一中的最大载荷-寿命曲线，获得了图6所示的小冲杆疲劳试验的能量-寿命曲线，确定材料能量-寿命公式，该公式同时适用于单轴疲劳以及小冲杆疲劳。
材料的能量-寿命表达式为：
Figure BDA0003091734520000061
式中，Δε1、Δσ1为临界面上的最大正应变幅和正应力幅，Δγ1、Δτ1为临界面上的剪应变幅和剪应力幅，A、B为材料参数，Nf为疲劳寿命。
(6)确定单轴疲劳的材料应变-寿命曲线。
利用步骤(2)中建立的单轴疲劳有限元模型模拟单轴疲劳中不同应变幅下对应的应力响应，获得单轴疲劳的应变-能量关系；再结合步骤(5)中的能量-寿命公式获得材料单轴疲劳的应变-寿命公式，即获得了图7所示的材料单轴应变-寿命曲线。
为了验证本方法的效果，对比相同应变幅下本方法获得的疲劳寿命与单轴疲劳试验获得疲劳寿命对比曲线，如图8所示，二者疲劳寿命的误差在2倍误差带以内，证明本方法取得了积极的效果。在实际应用时，不需要进行本步骤的验证，只需获得步骤六中的应变-寿命曲线即可。
采用本发明可以准确测试材料的疲劳性能，尤其是可以评估在役设备材料、局部微区材料以及新材料的疲劳性能，还可以节省大量材料。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种小冲杆疲劳试验获得材料应变-寿命曲线的方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
步骤一，进行多组小冲杆疲劳试验，获取材料的最大载荷-疲劳寿命曲线；
步骤二，通过单次单轴疲劳试验获得材料在单轴疲劳下的应力响应，获得材料混合硬化模型参数；
步骤三，建立小冲杆疲劳试验的有限元模型，输入材料的弹性模量、泊松比以及混合硬化模型参数，结合试验装置设置建立小冲杆疲劳试验的有限元模型；
步骤四，根据有限元计算结果确定小冲杆疲劳试样的临界面并求取临界面上的应力应变历史；
步骤五，根据步骤四确定的临界面上的应力应变分量以及步骤一中的最大载荷-寿命曲线，确定材料能量-寿命公式；
步骤六，确定单轴疲劳的材料应变-寿命曲线。
2.如权利要求1所述的一种小冲杆疲劳试验获得材料应变-寿命曲线的方法，其特征在于，步骤二中，包括：
(21)进行一固定应变幅下的低周疲劳试验，获得循环应力应变响应；
(22)根据循环应力应变响应获得材料的弹性模量并标定材料的混合硬化模型参数；
(23)建立单轴疲劳的有限元模型，验证所标定材料混合硬化模型参数的正确性。
3.如权利要求1所述的一种小冲杆疲劳试验获得材料应变-寿命曲线的方法，其特征在于，步骤四，包括：
(41)选取小冲杆疲劳试样上最大等效塑性应变处的点为危险点并提取其应力应变历史；
(42)通过坐标变换公式获得危险点在任意斜面上的应力应变历史；
(43)确定最大正应变幅平面为临界面；
(44)确定临界面上的应力应变分量。
4.如权利要求1所述的一种小冲杆疲劳试验获得材料应变-寿命曲线的方法，其特征在于，步骤(42)中，记原坐标系为O-xyz，现将其沿正方向(逆时针方向)绕z轴旋转角度θ，将旋转后的坐标系再绕旋转后的y轴旋转角度
Figure FDA0003091734510000011
得到坐标系O-x'y'z'，则新坐标系下的应力应变矩阵σ'和ε'与原坐标系下的应力应变矩阵σ、ε有如下关系：
σ'＝M·σ·MT
ε'＝M·ε·MT
式中，M为坐标变换矩阵，其表达式为：
Figure FDA0003091734510000021
5.如权利要求1所述的一种小冲杆疲劳试验获得材料应变-寿命曲线的方法，其特征在于，步骤(43)中，斜面上正应变幅Δε1表达式为：
Figure FDA0003091734510000022
式中，Δε1为斜面上的正应变幅，定义该值最大时的平面为临界面；εx1、εx2分别为最大载荷和最小载荷下任意斜面上的正应变。
6.如权利要求1所述的一种小冲杆疲劳试验获得材料应变-寿命曲线的方法，其特征在于，步骤(44)中，临界面上的剪应变幅Δγ1表达式为：
Figure FDA0003091734510000023
式中，εxy1、εxz1为最大载荷下临界面上的剪应变分量，εxy2、εxz2为最小载荷下斜面上的剪应变分量。
7.如权利要求1所述的一种小冲杆疲劳试验获得材料应变-寿命曲线的方法，其特征在于，材料的能量-寿命表达式为：
Figure FDA0003091734510000024
式中，Δε1、Δσ1为临界面上的最大正应变幅和正应力幅，Δγ1、Δτ1为临界面上的剪应变幅和剪应力幅，A、B为材料参数，Nf为疲劳寿命。
8.如权利要求1所述的一种小冲杆疲劳试验获得材料应变-寿命曲线的方法，其特征在于，步骤六中，利用步骤二中建立的单轴疲劳有限元模型模拟单轴疲劳中不同应变幅下对应的应力响应，获得单轴疲劳的应变-能量关系，再结合步骤五中的能量-寿命公式，获得材料单轴疲劳的应变-寿命曲线。
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