CN114428023A - 一种金属材料高温疲劳强度的预测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种金属材料高温疲劳强度的预测方法，属于材料科学与工程应用技术领域。该方法首先根据构件的实际服役工况，在服役温度区间内选定至少三个温度进行高周疲劳试验获取对应的疲劳强度，通过公式推导建立温度与疲劳强度的关系，然后通过拟合确定对应参数并进行预测不同温度的疲劳强度。该方法有效的降低了高温疲劳强度预测所需试验量，极大节约了时间、人力，同时也避免了实验材料的浪费，该方法预测结果准确，可以推广应用于金属材料的不同温度疲劳强度预测。
Description
技术领域
本发明涉及材料科学与工程应用技术领域，具体为一种金属材料高温疲劳强度的预测方法。
背景技术
金属材料的高温疲劳破坏是构件常见的失效形式，特别是在航空发动机和汽车发动机等热力机械中，高温疲劳是引发其构件失效的主要原因之一。航空发动机工作时，涡轮转子、压气机、轴承等构件都需要承受高温循环应力的加载，某航空公司统计了近20年涡轮转子构件失效数据，发现在航空发动机涡轮转子的故障中，由高温疲劳所引发的故障超过73.5％；在汽车发动机中，活塞、机顶盖等构件也需要在高温循环载荷的工况下服役，并且随着涡轮增压技术的发展，活塞、机顶盖等构件的服役工况越发恶劣，高温疲劳破坏的问题也愈发的突出。因此高温疲劳强度的预测对于金属材料构件特别是在高温环境下服役的受力构件的生产和使用具有重要意义。
使用该方法，可以通过少量几个温度的疲劳性能测试，对金属材料的高温疲劳强度进行相对准确的预测，可以极大程度节约时间降低成本，对金属材料在高温下的应用具有重要意义。
发明内容
为了降低获取材料疲劳极限所需成本，本发明提供了一种金属材料高温疲劳强度的预测方法，通过在至少三个不同温度进行疲劳测试，获得在不同温度下的疲劳强度，通过最小二乘法拟合，建立疲劳强度与温度的关系，即可实现疲劳强度的准确预测。该方法大量的降低了实验量需求，预测结果较为精准，且无复杂的公式计算。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种金属材料高温疲劳强度的预测方法，该方法具体包括如下步骤：
(1)根据材料的实际工况，在实际服役温度内选择至少三个温度进行拉伸和高周疲劳试验，并得到抗拉强度和疲劳强度；
(2)将不同温度下抗拉强度与疲劳强度的数值待入文献中[Pang JC,Li SX,WangZG,Zhang ZF.General relation between tensile strength and fatigue strength ofmetallic materials,Mater.Sci.Eng.A,2013,564:331-341]提出的抗拉强度与疲劳强度之间的一般关系式即公式(2)：
σw＝(C-P×σb)×σb (2)；
公式(2)中，C和P为材料的常数，σw为疲劳强度，σb为抗拉强度。发现具有良好的拟合结果。
(3)在高温合金的服役温度范围内，发现抗拉强度随温度的升高大致呈现出线性下降的趋势，即公式(3)：
σb＝a×T+b (3)；
公式(3)中，a和b为拟合参数；
(4)将公式(3)带入到公式(2)中，得到疲劳强度与温度之间的二次关系，即公式(4)：
σw＝-a2PT2+(aC-2bP)T+bC+b2P (4)；
将公式(4)参数进行简化即得到公式(1)：
σw＝αT2+βT+γ (1)；
公式(1)中：α、β、γ均为材料相关参数。通过该关系可根据构件服役工况下的三个不同温度的疲劳数据进行拟合得出α、β、γ的具体数值，实现对该金属在不同温度下高温疲劳性能的预测。
本发明中疲劳实验主要用于测试疲劳强度，根据服役工况和实验条件，可以是高周疲劳也可以是超高周疲劳，加载方式可以为轴向、旋弯或者弯曲等方式，试验机可以为高频疲劳试验机、液压伺服疲劳试验机、超高频疲劳试验机或者振动疲劳试验机；高温加热方式可以采用环境箱、电阻炉或感应加热，保证实验过程中温度随时间不变；疲劳强度采用升降法进行计算。
金属材料的抗拉强度随温度的降低呈现出近似线性的缓慢下降，当到达某一温度点后急剧下降，因此，本发明公式(1)中，温度T的取值范围为抗拉强度随温度变化呈线性下降的温度区间内。
公式(1)中，不同材料的相关参数α、β、γ的数值通过Origin等软件进行拟合直接获得。
公式(1)中，α、β、γ均为材料相关参数，仅适用于在不同温度下进行同种材料的疲劳强度预测，如果使用不同材料的数据，预测精度会下降。
本发明的优点和有益效果如下：
1、本发明的疲劳强度预测模型由合理的假设推导得到，具有清晰的物理意义，和较高的预测精度。
1、本发明的疲劳强度预测模型具有良好的普适性，对材料的加工工艺不敏感，对于增材制造材料和锻造材料均有良好的适用性。
2、本发明预测方法计算简单且具有较高精度，通过少量高周疲劳实验建立温度与疲劳强度的关系，进行疲劳强度预测。所需时间少，极大程度节约时间、人力和金钱成本。
附图说明
图1不同温度的激光选区熔化(SLM)GH4169高温合金的使用公式(2)的拟合结果。
图2是不同温度不同工艺GH4169高温合金在实际服役温度范围内，抗拉强度与温度的线性拟合结果。
图3不同工艺GH4169高温合金使用该方法的预测结果。
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。
本实施例是对实际服役温度范围内的GH4169的高温高周疲劳性能进行预测，在至少三个不同温度对高周疲劳性能进行测试(实验数据)，并用将拟合所得到的结果跟真实的实验结果进行对比，对方法的准确性进行评估。
步骤一，GH4169高温合金常在650℃以下使用，因此选择在25℃、450℃、650℃进行拉伸和高周疲劳试验，得到SLM GH4169合金在这三个温度的抗拉强度分别为1491MPa、1322MPa和1231MPa，根据升降法对不同温度下的疲劳强度进行计算，得到疲劳强度分别为488MPa、450MPa和425MPa。
步骤二，将不同温度下的抗拉强度和疲劳强度数值待入公式(2)中进行拟合，拟合结果如图1所示，误差在1％以内，说明该一般关系在高温情况下也具有较高的精度。
步骤三，搜集不同工艺所生产的GH4169合金在服役温度内抗拉强度与温度的数据，并使用公式(3)拟合，计算结果与试验结果的对比如图2所示，误差在8％以内，说明在该温度范围内温度与抗拉强度具有较好的线性关系。
步骤四，将公式(3)待入公式(2)中得到：
σw＝-a2PT2+(aC-2bP)T+bC+b2P (4)；
将公式(4)参数进行简化得到公式(1)，即：
σw＝αT2+βT+γ (1)；
α、β、γ均为材料相关参数。使用公式(1)对SLM GH4169的温度疲劳数据进行拟合，为了更好的验证方法准确性，同时搜集锻造GH4169合金的温度疲劳数据进行拟合，计算结果与实验结果的对比如图3所示，误差在5％以内，说明该方法对金属材料高温高周疲劳强度具有较好的预测准确度。
上述实施例仅示例性说明本发明的原理及性能，并非全部内容，人们还可以根据本实施例在无需创造性劳动前提下获得其他实施例，这些实施例都属于本发明保护范围。
Claims (5)
1.一种金属材料高温疲劳强度的预测方法，其特征在于：该方法具体包括如下步骤：
(1)根据构件的实际工况，在服役温度内选择至少三个温度进行疲劳试验，并得到疲劳强度测试数据；
(2)将步骤(1)获得的疲劳强度测试数据代入公式(1)并进行拟合，获得α、β、γ参数值；
σw＝αT2+βT+γ (1)；
公式(1)中：α、β、γ均为材料相关参数，σw为疲劳强度，T为温度；
(3)根据步骤(2)拟合出的α、β、γ参数，利用公式(1)能够计算在不同温度时同种材料的疲劳强度。
2.根据权利要求1所述的金属材料高温疲劳强度的预测方法，其特征在于：步骤(1)中，疲劳实验主要用于测试疲劳强度，根据服役工况和实验条件，可以是高周疲劳也可以是超高周疲劳，加载方式可以为轴向、旋弯或者弯曲等方式，试验机可以为高频疲劳试验机、液压伺服疲劳试验机、超高频疲劳试验机或者振动疲劳试验机；高温加热方式可以采用环境箱、电阻炉或感应加热，保证实验过程中温度随时间不变；疲劳强度采用升降法进行计算。
3.根据权利要求1所述的金属材料高温疲劳强度的预测方法，其特征在于：步骤(2)中，温度T的取值范围为抗拉强度随温度变化呈线性下降的温度区间内。
4.根据权利要求1所述的金属材料高温高周疲劳强度的预测方法，其特征在于：步骤(2)中，不同材料的相关参数α、β、γ的数值通过Origin等软件进行拟合直接获得。
5.根据权利要求1所述的金属材料高温疲劳强度的预测方法，其特征在于：步骤(3)中，α、β、γ均为材料相关参数，仅适用于在不同温度条件下预测同种材料疲劳强度，如果使用不同材料的数据，预测精度会下降。
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