一种基于修正塑性应变能的金属材料疲劳寿命预测方法技术

本发明专利技术公开了一种基于修正塑性应变能的金属材料疲劳寿命预测方法，该方法包括以下步骤：拉伸实验计算总塑性应变能；不同应变幅下疲劳实验，记录应力

【技术实现步骤摘要】
一种基于修正塑性应变能的金属材料疲劳寿命预测方法


[0001]本专利技术属于金属材料疲劳寿命预测
，涉及一种金属材料在循环载荷下修正塑性应变能的计算方法，具体涉及一种依据拉伸曲线与循环应力
‑
应变曲线计算塑性应变能进而对疲劳寿命预测的方法。

技术介绍

[0002]金属材料在外部应力作用下产生应变，应力消失后留下永久性的变形，称为塑性应变。塑性应变能定义为塑性应变与引起塑性应变的应力之积，是由于外力对材料做功而储存在材料内部的能量。
[0003]金属材料因其优良的综合性能在机械装备中广泛使用，由于在服役条件下承受循环载荷作用，因此极易发生疲劳断裂，造成严重的安全事故和经济财产损失。根据中科院金属所失效分析中心的数据，在众多的失效案例中，疲劳断裂导致的案例占比高达85％。因此，对金属材料疲劳性能的评价和疲劳寿命的预测十分重要。传统的疲劳寿命预测方法大多依赖于经验公式，最典型的是在低周疲劳条件下的应变
‑
寿命曲线和高周疲劳条件下的应力
‑
寿命曲线。
[0004]如中国专利申请201810020834.7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，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。
[0005]如中国专利申请201310632048.X公开了一种基于临界面法的塑性金属材料多轴高周疲劳寿命预测方法，该方法考虑了拉扭复合加载下塑性金属材料的疲劳失效模式，同时考虑了多轴加载下应力幅比和相位差对多轴高周疲劳寿命的影响，以多轴疲劳的临界面准则为基础，建立了采用最大主应力峰值和最大剪应力变程的线性组合来预测多轴高周疲劳寿命的疲劳寿命预测模型，用以预测塑性金属材料在承受多轴高周疲劳载荷时的寿命，并最终提出一种基于临界面法的塑性金属材料多轴高周疲劳寿命预测方法。
[0006]但采用这两种方法存在一定的局限性：首先，两种方法具有不同的适用性，应变
‑
寿命曲线适用于低周疲劳，应力
‑
寿命曲线适用于高周疲劳，但在实际服役条件下，低周疲劳与高周疲劳的循坏载荷数并没有明确的界限，因此难以做出准确预测。其次，基于经验公式的方法无法提供金属疲劳断裂的物理意义，难以建立疲劳性能的评价指标。
[0007]因此，建立具有明确物理意义的疲劳性能评价指标和疲劳寿命预测模型十分重要。

技术实现思路

[0008]本专利技术的目的在于针对金属材料的疲劳寿命预测问题，从基于塑性应变能的储能模型出发，建立拉伸性能与疲劳性能之间的关系，提出具有明确物理意义的疲劳寿命预测模型。
[0009]对此，本专利技术提供一种基于修正塑性应变能的金属材料疲劳寿命预测方法，该方法具体包括以下步骤：
[0010](1)拉伸实验计算总塑性应变能；
[0011](2)不同应变幅下疲劳实验，记录应力
‑
应变值；
[0012](3)根据应力
‑
应变关系判断是否满足Masing特性；
[0013](4)根据滞弹性修正塑性应变能；
[0014](5)寿命预测。
[0015]优选地，所述步骤(1)具体包括以下步骤：
[0016](11)将材料加工成单向拉伸试样，在较低的应变率(1
×
10
‑2s
‑1‑3×
10
‑2s
‑1)下进行单向拉伸实验，记录应力
‑
应变数据，其中应变和应力分别记为e和s；
[0017](12)由于未考虑塑性变形的累积与试件的颈缩，因此测得数据并非材料的真实应力、应变，需要根据式(1)和(2)分别对上述步骤测得的应力与应变进行修正：
[0018]应变修正公式：
[0019]其中，l0为拉伸前的试件长度，l为拉伸后的试件长度；
[0020]应力修正公式：σ＝s(s+1)
ꢀꢀ
(2)，
[0021]其中修正前的应变和应力分别为e和s，修正后的应变和应力分别为ε和σ。
[0022](13)根据步骤(11)、(12)测得的数据作图；
[0023](14)根据图像计算总塑性应变能：
[0024]更优选地，所述步骤(14)中用如下公式计算总塑性应变能：
[0025](i)屈服点前：应力
‑
应变呈线性关系，采用式(3)计算塑性应变能：
[0026][0027]其中W
p1
为屈服点前的塑性应变能，Δε和Δσ为塑性应变范围和塑性应力范围；
[0028](ii)屈服点后：应力
‑
应变曲线采用式(4)所示的四次多项式进行最小二乘拟合：
[0029]σ＝aε4+bε3+cε2+dε+e
ꢀꢀ
(4)，
[0030]其中a、b、c、d和e为常数；
[0031]再根据式(5)计算非弹性阶段的塑性应变能：
[0032][0033]其中W
p2
为屈服点后的塑性应变能，ε1和ε2分别为非弹性阶段起始应变和断裂应变；
[0034](iii)最后根据W
p
＝W
p1
+W
p2
计算单向拉伸的总塑性应变能，
[0035]其中W
p
为总塑性应变能。
[0036]优选地，所述步骤(2)具体包括以下步骤：
[0037]在较低的应变加载率下(1
×
10
‑2s
‑1‑3×
10
‑2s
‑1)进行不同应变幅下应变控制的循环加载，记录每次循坏的应力
‑
应变值。
[0038]优选地，所述步骤(3)具体包括以下步骤：
[0039](31)对步骤(2)测得的数据拟合并绘制应力
‑
应变曲线：
[0040]将不同应变范围下的半寿命应力
‑
应变滞回线放在同一坐标系下，利用式(6)对数据进行拟合，绘制循坏载荷下的应力
‑
应变曲线：
[0041][0042]其中，ε
e
为弹性应变，ε
p
为塑性应变，n为循环应变硬化指数，K为循环强度系数，E为弹性模量；
[0043](32)将应力
‑
应变曲线平移，使得压缩曲线尖点重合，对比拉伸曲线部分，若重合，则满足Masing特性，否则不满足。
[0044]对于满足Masing特性的材料，塑性应变能根据式(7)计算：
[0045][0046]其中，n*与K*代表数据不同时拟合得到的参数也不同，与上述n和K作区分；
[0047]对于不满足Masing特性的材料，塑性应变能根据式(8)计算：
[0048][0049]其中δσ本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于修正塑性应变能的金属材料疲劳寿命预测方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)拉伸实验计算总塑性应变能；(2)不同应变幅下疲劳实验，记录应力
‑
应变值；(3)根据应力
‑
应变关系判断是否满足Masing特性；(4)根据滞弹性修正塑性应变能；(5)寿命预测。2.根据权利要求1所述的一种基于修正塑性应变能的金属材料疲劳寿命预测方法，其特征在于，所述步骤(1)具体包括：(11)将材料进行单向拉伸实验，记录应力
‑
应变数据；(12)对应力
‑
应变数据进行修正；(13)根据步骤(11)、(12)测得的数据作图；(14)根据图像计算总塑性应变能。3.根据权利要求2所述的一种基于修正塑性应变能的金属材料疲劳寿命预测方法，其特征在于，所述步骤(11)在应变率为1
×
10
‑2s
‑1‑3×
10
‑2s
‑1的条件下进行单向拉伸实验。4.根据权利要求2所述的一种基于修正塑性应变能的金属材料疲劳寿命预测方法，其特征在于，所述步骤(12)中用如下公式进行修正：应变修正公式为应力修正公式为σ＝s(s+1)，其中修正前的应变和应力分别为e和s，修正后的应变和应力分别为ε和σ，l0为拉伸前的试件长度，l为拉伸后的试件长度。5.根据权利要求2所述的一种基于修正塑性应变能的金属材料疲劳寿命预测方法，其特征在于，所述步骤(14)中用如下公式计算总塑性应变能：屈服点前：用计算，其中W
p1
为屈服点前的塑性应变能，Δε和Δσ为塑性应变范围和塑性应力范围；屈服点后：(i)用σ＝aε4+bε3+cε2+dε+e进行数据拟合，其中a、b、c、d和e为常数；(ii)用计算非弹性阶段的塑性应变能，其中W
p2
为屈服点后的塑性应变能，ε1和ε2分别为非弹性阶段起始应变和断裂应变；(iii)用W
p
＝W
p1
+W
...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘志兵，刘书尧，王西彬，焦黎，梁志强，颜培，周天丰，解丽静，沈文华，滕龙龙，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：