一种金属材料基于低周疲劳的热机械疲劳寿命预测方法技术

本发明专利技术公开了一种金属材料基于低周疲劳的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。该方法首先建立金属材料热机械疲劳滞回能与同材料恒温(热机疲劳上限温度)低周疲劳滞回能定量关系，即两种疲劳滞回能差值与机械应变为线性关系，然后通过能量法进行寿命预测。该方法可以通过少量低周疲劳和热机械疲劳实验测试，即可实现不同机械应变的热机械疲劳寿命准确预测。该方法有效的降低了热机械疲劳寿命预测所需实验量，极大程度节约了时间、金钱和人力成本，且具有较高准确度，可以广泛应用于燃机叶片、内燃机缸盖和活塞等高温合金和耐热金属材料的热机械疲劳寿命预测。

【技术实现步骤摘要】
一种金属材料基于低周疲劳的热机械疲劳寿命预测方法
本专利技术涉及材料科学与工程应用
，具体为一种金属材料基于低周疲劳的热机械疲劳寿命预测方法。
技术介绍
金属材料，特别是高温合金和耐热材料，广泛应用于内燃机缸盖、活塞、燃机叶片等高温承力构件，在发动机工作过程中，金属材料同时承受温度载荷与机械载荷的变化。因此，易发生失效。根据失效分析，其最主要失效形式为热机械疲劳。如不能合理进行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伤。目前，传统的热机械疲劳寿命预测，可以分为两类：或基于大量的热机械疲劳实验数据的拟合法、虽然预测精度较高，但所需实验量大，由于热机械疲劳实验过程复杂，不可预知性强，时间、人力、金钱成本均较高，因此这种方法在应用上有很大的局限性；或根据材料的物理和力学特性，通过复杂的理论推导进行测算，准确度相对较低，且计算复杂度极高，一些特殊参数获取条件苛刻，不适宜工业推广。因此，针对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。
技术实现思路
为了克服现有热机械疲劳寿命预测方法存在的问题，本专利技术提供了一种金属材料基于低周疲劳的热机械疲劳寿命预测方法，通过建立金属材料低周疲劳性能与热机械疲劳性能的关系，结合能量模型，即可实现热机械疲劳寿命的准确预测。该方法结合了基于大量实验数据的拟合法准确性高的优点，同时大量的降低了实验量需求，且无复杂的公式推导计算。为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种金属材料基于低周疲劳的热机械疲劳寿命预测方法，该方法具体包括如下步骤：(1)分析服役构件的服役工况，确定金属材料热机械疲劳的温度和机械应变范围，其中热机械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。该步骤中，热机械疲劳实验温度范围及机械应变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。若机械载荷与温度变化周期相同时，若温度峰值对应机械载荷峰值，则称之为同相；反之，若温度载荷谷值对应机械载荷峰值对应，则称之为反相位。该方法对于同相位及反向位热机械疲劳均适用。(2)确定目标应变幅值，即确定进行热机械疲劳寿命预测的热应变和机械应变幅数值。(3)选择金属材料进行恒温低周疲劳性能测试，获得低周疲劳中值滞回能Wa,LCF(滞回环面积)，并建立低周疲劳中值滞回能Wa,LCF与机械应变幅εmech之间的定量关系。低周疲劳实验温度需选择热机械疲劳工况对应的最高温度，低周疲劳实验需选择至少两个不同机械应变幅进行实验，每个应变幅至少进行一个有效数据的测试,且无需进行目标应变幅值条件下的低周疲劳测试。(4)选择金属材料进行热机械疲劳性能测试，获得热机械中值滞回能Wa,TMF；热机械疲劳实验需选择至少两个不同机械应变幅进行实验，所选应变幅应与步骤(3)中所选相同。每个应变幅至少进行一个有效数据的测试；如果需要进行材料或构件可靠性分析，按照相关要求进行系统研究。(5)将步骤(4)中的热机械中值滞回能Wa,TMF带入能量法公式进行拟合获得金属材料参数β和W0；所述能量法公式是指热机械中值滞回能Wa,TMF与热机械疲劳寿命Nf的关系，具体如式(1)所示；公式(1)中，Nf为热机械疲劳寿命，Wa,TMF为热机械中值滞回能(中值寿命对应的滞回环面积)，β和W0为拟合参数。式(1)中，β值为将外界作用程度转化成损伤材料的能量的能力。从微观上讲，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。W0为可以看作单次变形造成材料失效所作的塑性功。Wa为中值寿命对应的滞回环面积，可通过Origin等软件计算。该公式模型具有明确的物理意义，并且具备较好的拟合精度。拟合后即可获得该热机械载荷条件下，β,W0的具体数值，即可知热机械疲劳寿命与滞回能的指数关系。由于并未进行目标应变幅条件下的热机械疲劳测试而无法获得对应的滞回能，因此无法直接根据β,W0的具体数值进行热机械疲劳寿命预测。(6)根据步骤(3)与步骤(4)测试结果，建立热机械疲劳、低周疲劳滞回能与机械应变幅εmeth的定量关系，并获得相关材料参数；该步骤中，热机械疲劳、低周疲劳滞回能与机械应变幅εmeth的定量关系，对于铸铁或铸铝等材料，是热机械疲劳与低周疲劳滞回能差值ΔWa与机械应变幅εmeth的线性关系，如公式(3)；该线性关系中材料参数为A和K；ΔWa＝Wa,TMF-Wa,LCF＝A+K·εmech(3)；公式(3)可以转变形式为公式(4)；Wa,TMF＝A+Kεmech+Wa,LCF(4)。其中，A,K为拟合参数，Wa,TMF为热机械疲劳滞回环面积，Wa,LCF为低周疲劳滞回环面积，ΔWa为热机械疲劳滞回环面积与低周疲劳滞回环面积差值。A为韧度敏感性系数，受材料静力韧度控制，静力韧度越大，A越小，材料的热机械疲劳性能越好。K为应变敏感性系数，对于不同材料，不同温度，随着应变增加，滞回环差值增加幅度不同；K受材料塑性变形能力影响。塑性越好，K越小，TMF性能越好。以机械应变幅作为自变量，热机械疲劳滞回环面积与低周疲劳滞回环面积差值作为因变量，进行线性拟合。即可获得该温度条件下A,K的具体数值。(7)通过步骤(6)建立的定量关系和步骤(3)中的机械应变幅值下的低周疲劳中值滞回能计算步骤(2)中所确定目标应变幅值下热机械疲劳中值滞回能；如果该目标应变幅值下的低周疲劳没有进行实验，则根据步骤(3)中低周疲劳中值滞回能Wa,TMF与机械应变幅之间的定量关系，计算步骤(2)中所确定的目标应变幅值下的低周疲劳滞回环面积。(8)将步骤(7)计算所得目标应变幅下热机械疲劳滞回能面积带入公式(1)中，计算所得热机械疲劳寿命，即为最终目标寿命。代入公式过程中，β,W0的具体数值与步骤(4)计算所得相同。本专利技术的优点和有益效果如下：1、采用能量模型，基于低周疲劳进行热机械疲劳寿命预测，物理意义明确。2、模型具有良好的普适性，对于金属材料不同相位热机械疲劳实验均有良好的适用性。3、计算简单且具有较高精度，所需最小实验量为4个疲劳实验数据(2个低周疲劳实验数据及2个热机械疲劳实验数据)，极大程度节约时间、人力和金钱成本。附图说明图1是金属材料基于低周疲劳的热机械疲劳寿命预测方法流程图。图2是铸铁热机械疲劳与低周疲劳滞回能差值的线性关系；其中：(a)400℃；(b)500℃。图3是铸铁低周疲劳中值滞回能Wa,LCF与机械应变幅的线性关系。图4是铸铁材料反向位125～400℃及125～500℃热机械疲劳寿命预测结果。图5是铸铝材料同向位120～350℃热机械疲劳寿命预测结果。具体实施方式：下面结合实施例和附图对本专利技术进一步说明。实施例1：本实施例是对铸铁材料反向位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，铸铁材料取自柴油发动机缸盖，根据工况条件，确定所需预测的热机械疲劳温度载荷为125～400℃及125～500℃，机械应变条件为±0.1％～±0.4％。第二，本实施例中，对于温度为125～400℃工况条件，目标应变幅值为±0.15％，±0.2％，±0.3％；本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种金属材料基于低周疲劳的热机械疲劳寿命预测方法，其特征在于：该预测方法具体包括如下步骤：(1)分析服役构件的服役工况，确定金属材料热机械疲劳的温度和机械应变范围，其中热机械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；(2)确定目标应变幅值，即确定进行热机械疲劳寿命预测的热应变和机械应变幅范围，热应变范围是通过温度变化获得；(3)选择金属材料进行恒温低周疲劳性能测试，获得低周疲劳中值滞回能Wa,LCF(滞回环面积)，并建立低周疲劳中值滞回能Wa,LCF与机械应变幅εmech之间的定量关系；(4)选择金属材料进行热机械疲劳性能测试，获得热机械中值滞回能Wa,TMF；(5)将步骤(4)中的热机械中值滞回能Wa,TMF带入能量法公式进行拟合获得金属材料参数β和W0；所述能量法公式是指热机械中值滞回能Wa,TMF与热机械疲劳寿命Nf的关系，具体如式(1)所示；

【技术特征摘要】
1.一种金属材料基于低周疲劳的热机械疲劳寿命预测方法，其特征在于：该预测方法具体包括如下步骤：(1)分析服役构件的服役工况，确定金属材料热机械疲劳的温度和机械应变范围，其中热机械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；(2)确定目标应变幅值，即确定进行热机械疲劳寿命预测的热应变和机械应变幅范围，热应变范围是通过温度变化获得；(3)选择金属材料进行恒温低周疲劳性能测试，获得低周疲劳中值滞回能Wa,LCF(滞回环面积)，并建立低周疲劳中值滞回能Wa,LCF与机械应变幅εmech之间的定量关系；(4)选择金属材料进行热机械疲劳性能测试，获得热机械中值滞回能Wa,TMF；(5)将步骤(4)中的热机械中值滞回能Wa,TMF带入能量法公式进行拟合获得金属材料参数β和W0；所述能量法公式是指热机械中值滞回能Wa,TMF与热机械疲劳寿命Nf的关系，具体如式(1)所示；(6)根据步骤(3)与步骤(4)测试结果，建立热机械疲劳、低周疲劳滞回能与机械应变幅εmeth的定量关系，并获得相关材料参数；(7)通过步骤(6)建立的定量关系和步骤(3)中的机械应变幅值下的低周疲劳中值滞回能计算步骤(2)中所确定目标应变幅值下热机械疲劳中值滞回能；如果该目标应变幅值下的低周疲劳没有进行实验，则通过步骤(3)中低周疲劳中值滞回能与机械应变幅的定量关系进行计算获得；(8)将步骤(7)计算所得目标应变幅下热机械疲劳中值滞回能带入公式(1)中，计算所得热机械疲劳寿命，即为最终目标寿命。2.根据权利要求1所述的金属材料基于低周疲劳的热机械疲劳寿命预测方法，其特征在于：步骤(1)中，热机械疲劳实验温度范围及机械...

【专利技术属性】
技术研发人员：张孟枭，庞建超，张哲峰，王猛，邱宇，
申请(专利权)人：中国科学院金属研究所，
类型：发明
国别省市：辽宁,21