一种预测高强钢疲劳裂纹扩展性能的方法技术

技术编号:20618656 阅读:21 留言:0更新日期:2019-03-20 12:54
本发明专利技术公开了一种预测高强钢疲劳裂纹扩展性能的方法,属于金属材料疲劳裂纹扩展技术领域。该方法包括三个步骤:通过拉伸实验测得高强钢的抗拉强度σb,经平面应变断裂韧性实验得到材料的断裂韧性KIC,将上述的两组数据带入高强钢的疲劳裂纹扩展公式,即可得到该材料的疲劳裂纹扩展性能。通过本发明专利技术可以简单的利用材料的静态力学性能来预测疲劳裂纹扩展性能,不但解决了疲劳裂纹扩展Paris公式中参数物理意义不明确的缺陷,并且节约了疲劳实验的时间和费用。同时此方法提供了一种工程构件选材的参考标准,为如何优化材料的疲劳裂纹扩展性能开辟新的思路。

【技术实现步骤摘要】
一种预测高强钢疲劳裂纹扩展性能的方法
:本专利技术涉及金属材料疲劳裂纹扩展
,具体涉及一种预测高强钢疲劳裂纹扩展性能的方法。
技术介绍
:航空航天、高铁及汽车等行业的机械设备和构件均受到周期性载荷作用,导致其发生疲劳破坏。疲劳破坏往往是突然性的发生,会造成重大的人员伤亡及财产损失。近90%的金属材料及构件在服役过程中承受远低于拉伸强度的循环载荷下失效断裂,但是其疲劳损伤理论研究仍然有所欠缺,所以研究构件的疲劳问题无论在理论科学还是工程应用中都显得尤为重要【SureshS.Fatigueofmaterials[M].Cambridgeuniversitypress,1998.】。对于大型工程构件,由于材料制造、加工等工艺中出现的缺陷及内部微裂纹总是存在的,构件服役过程中,裂纹在失效断裂前要经历一段稳态扩展时期,这期间裂纹扩展量是相当大的,对于服役一段时间的构件来说,剩余寿命的准确预测可以更好的选择检测周期。所以研究材料与构件的疲劳失效机理和疲劳裂纹扩展规律,建立裂纹扩展行为力学模型,准确预测构件的剩余寿命,可进一步保障机械设备的结构在设计安全寿命区内的平稳运行,这具有不可估量的工程实用价值和社会经济效益。关于材料的疲劳裂纹扩展行为的研究早先始于上世纪中叶,典型的疲劳裂纹扩展曲线如图1所示:I区为低扩展速率(近门槛)区,II区是裂纹稳态扩展(Paris)区,III区是快速扩展区【RitchieRO.Near-thresholdfatigue-crackpropagationinsteels[J].InternationalMetalsReviews,1979,24(1):205-230.】。在I区,疲劳裂纹扩展速率随应力场强度因子的降低迅速降低,当ΔK=ΔKth时,视为裂纹不扩展,定义ΔKth为疲劳裂纹扩展门槛值。在III区,疲劳裂纹扩展速率随K的升高而快速升高,当ΔK=ΔKIC时,达到裂纹失稳状态,试样发生断裂。II区作为工程合金的疲劳裂纹稳定扩展(Paris)区,此阶段可以定量描述,所以近半个多世纪以来一直成为疲劳领域的研究热点。早期的学者大都寻找裂纹扩展速率da/dN与局部应力σ、裂纹长度a的定量关系,且他们在实验中都寻找到一些符合的经验公式。1963年,Paris和Erdogan基于前人的实验公式,首先引入了应力场强度因子来衡量材料的疲劳裂纹扩展速率【ParisP,ErdoganF.Acriticalanalysisofcrackpropagationlaws[J].JournalofBasicEngineering,1963,85(4):528-533.】,其经验公式(2)如下公式(2)中ΔK是应力场强度因子幅,C,m是实验确定的系数和指数。此公式可以很好的描述da/dN在第二阶段的稳态裂纹扩展过程,并且Paris幂指数关系的简单性为疲劳构件的设计或者失效分析提供了一种有效的寿命估算方法。尽管这是一个经验公式,但是它的意义在于将疲劳研究领域引入了一个新的学科—断裂力学,极大促进了疲劳领域的发展。比较著名的Forman等人随后提出的经典理论,推动和发展了Paris公式【FormanRG,KearneyVE,EngleRM.Numericalanalysisofcrackpropagationincyclic-loadedstructures[J].JournalofBasicEngineering,1967,89(3):459-463.】。国内近些年也有学者系统的研究疲劳裂纹扩展阶段【郑修麟.材料疲劳理论与工程应用[M].科学出版社,2013.】,提出了影响疲劳裂纹扩展速率的三个基本因素:弹性模量、扩展门槛值以及断裂韧性,进行疲劳裂纹扩展的全段拟合公式。然而,以Paris公式为基础的疲劳裂纹扩展公式有其致命的缺陷:首先是Paris公式属于经验公式,并没有严谨的理论推导,这造成了公式(2)中参数的物理意义不明确。另外,在Paris公式中唯一的变量是应力场强度因子幅ΔK,即表明断裂韧性作为疲劳裂纹扩展速率的唯一因素,但近年来的研究结果表明材料断裂韧性与da/dN的变化趋势并不完全一致【WeiL,PanQ,HuangH,etal.Influenceofgrainstructureandcrystallographicorientationonfatiguecrackpropagationbehaviorof7050alloythickplate[J].InternationalJournalofFatigue,2014,66:55-64.】。另外比较重要的一点,疲劳裂纹扩展行为属于动态力学性能,而其动态性能和稳定性也是实验中不可缺少的一个因素。在耗时耗力的进行了一批材料的疲劳裂纹扩展实验后,同一实验条件下很可能得到几组重复性很差的疲劳裂纹扩展数据,这样难以得到准确的疲劳裂纹扩展性能。
技术实现思路
:针对现有技术中存在的金属材料疲劳裂纹扩展性能测试过程复杂耗时的问题,本专利技术目的在于提供一种预测高强钢疲劳裂纹扩展性能的方法,该方法能够简单的利用高强钢的疲劳裂纹扩展公式,结合抗拉强度与断裂韧性准确预测高强钢的疲劳裂纹扩展性能,避免进行繁琐的实验操作,降低了时间成本和金钱成本。为实现上述目的,本专利技术所采用的技术方案如下:一种预测高强钢疲劳裂纹扩展性能的方法,该方法包括如下步骤:(1)进行室温拉伸实验,测得抗拉强度σb;(2)进行平面应变断裂韧性实验,测得断裂韧性KIC;(3)将步骤(1)测得的抗拉强度σb和步骤(2)测得的断裂韧性KIC代入高强钢的本征疲劳裂纹扩展公式(1),计算出裂纹扩展速率da/dN,即预测出高强钢疲劳裂纹扩展性能;公式(1)中:v0=1mm/cycle,α=-800,m=3,ΔK为应力场强度因子幅,E为弹性模量,ΔKIC=(1-R)KIC,R为应力比。上述步骤(1)中,高强钢的抗拉强度应不小于600MPa,拉伸试样尺寸及实验过程符合标准GB/T228.1-2010,实验中应使用应变规测量数据。上述步骤(2)中,试样尺寸及平面应变断裂韧性实验过程符合标准GB/T4161-2007。上述步骤(3)中,高强钢的弹性模量一般取200GPa,或者高强钢的弹性模量采用实际测量值。当公式(1)中ΔKIC=(1-R)KIC时,所对应预测的疲劳裂纹扩展实验,应力比R一般取R≤0.2。公式(1)中,ΔK的取值范围为10MPa√m到所选择材料的(1-R)KIC,间隔为1MPa√m。本专利技术的设计机理及有益效果如下:1、本专利技术提出一种简捷方便的方法来预测高强钢的疲劳裂纹扩展性能,基于高强钢的本征疲劳裂纹扩展公式,通过测量静态力学性能来准确预测高强钢的疲劳裂纹扩展性能。其主要原理:材料的疲劳裂纹扩展行为由材料的强韧性共同决定,基于Paris公式,建立裂纹临界失稳速率与强度的定量关系,且推导出裂纹扩展过程中的参数变化,从而得到高强钢的本征疲劳裂纹扩展公式。2、本专利技术基于高强钢的本征疲劳裂纹扩展公式,预测的疲劳裂纹扩展曲线与实验值相吻合。通过该专利技术可以简单有效的预测出高强钢的疲劳裂纹扩展性能,这很大限度的节约了实验时间和费用。3、本专利技术可以简单的利用材料的静态力学性能来预测疲劳裂纹扩展性能,此专利技术不但解决了本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.一种预测高强钢疲劳裂纹扩展性能的方法,其特征在于:该方法包括如下步骤:(1)进行室温拉伸实验,测得抗拉强度σb;(2)进行平面应变断裂韧性实验,测得断裂韧性KIC;(3)将步骤(1)测得的抗拉强度σb和步骤(2)测得的断裂韧性KIC代入高强钢的本征疲劳裂纹扩展公式(1),计算出裂纹扩展速率da/dN,即预测出高强钢疲劳裂纹扩展性能;

【技术特征摘要】
1.一种预测高强钢疲劳裂纹扩展性能的方法,其特征在于:该方法包括如下步骤:(1)进行室温拉伸实验,测得抗拉强度σb;(2)进行平面应变断裂韧性实验,测得断裂韧性KIC;(3)将步骤(1)测得的抗拉强度σb和步骤(2)测得的断裂韧性KIC代入高强钢的本征疲劳裂纹扩展公式(1),计算出裂纹扩展速率da/dN,即预测出高强钢疲劳裂纹扩展性能;公式(1)中:v0=1mm/cycle,α=-800,m=3;ΔK为应力场强度因子幅,E为弹性模量,ΔKIC=(1-R)KIC,R为应力比。2.根据权利要求1所述的预测高强钢疲劳裂纹扩展性能的方法,其特征在于:步骤(1)中,高强钢的抗拉强度应不小于600MPa。3.根据权利要求1所述的预测高强钢疲劳裂纹扩展性能的方法,其特征在于:步骤(1)中,拉伸试样尺...

【专利技术属性】
技术研发人员:张鹏李鹤飞段启强张哲峰
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

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