一种考虑加工表面完整性的能量法预测疲劳寿命方法技术

本发明专利技术公开了一种考虑加工表面完整性的能量法预测疲劳寿命方法，属于高强度钢材料的寿命预测技术领域，包括：获得疲劳试验前的几何‑力学‑冶金性能；获得不同循环周次的迟滞环数据和疲劳寿命数据；通过微裂纹不扩展阈值获得表面形貌和表面硬度对总能量的修订系数；获得考虑不同深度的表面层残余压应力能量修订系数；将总能量的修订系数导入单周次循环能量密度‑寿命方法的表面层残余压应力能量修订系数项；通过背应力方程获得疲劳试验时稳定时的单周次塑性应变能；采用修正单周次循环能量密度‑寿命方法实现材料不同加工表面完整性参数下疲劳寿命预测与表征。本发明专利技术有效解决材料在中低周疲劳不同表面完整性作用下的寿命预测问题。

【技术实现步骤摘要】
一种考虑加工表面完整性的能量法预测疲劳寿命方法
本专利技术属于高强度钢材料的寿命预测
，更具体的说是涉及一种考虑加工表面完整性的能量法预测疲劳寿命方法。
技术介绍
能量法因从疲劳破坏最本质的机理解决疲劳寿命问题，能解释很多其他方法无法解释的疲劳现象，因此得到广泛应用。然而国内外众多大量能量法预测中，大多采用忽略加工表面完整性的方式进行材料性能的研究，实验表明，忽略加工表面层完整性的疲劳寿命往往影响了能量法的预测精度。因此，如何提供一种考虑加工表面完整性的能量法预测疲劳寿命方法是本领域技术人员亟需解决的问题。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提供了一种考虑加工表面完整性的能量法预测疲劳寿命方法，有效解决材料在中低周疲劳不同表面完整性作用下的寿命预测问题。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种考虑加工表面完整性的能量法预测疲劳寿命方法，包括如下步骤：S1：开展获得不同表面完整性的加工工艺试验，获得疲劳试验前的几何-力学-冶金性能；S2：开展应变比为零的中低周应变控制疲劳试验，获得不同循环周次的迟滞环数据和疲劳寿命数据；S3：通过微裂纹不扩展阈值获得表面形貌和表面硬度对总能量的修订系数；S4：获得考虑不同深度的表面层残余压应力能量修订系数；S5：将总能量的修订系数代入单周次循环能量密度-寿命方法的表面层残余压应力能量修订系数项；S6：通过背应力方程获得疲劳试验时稳定时的单周次塑性应变能；S7：采用修正单周次循环能量密度-寿命方法实现材料不同加工表面完整性参数下疲劳寿命预测与表征。优选的，得到高强度钢表面微裂纹不扩展阈值的表达式如下：其中，考虑到Ry/Rz预测缺口几何结构的这些变化，a和b分别为表面粗糙度RaRy/Rz、Rsm参数。优选的，考虑到高强度钢硬度较大时对微裂纹具有较强的敏感性，获得表面形貌和表面硬度对总能量的修订系数，具体为：其中，为表面微裂纹不扩展阈值，HV为表面维氏硬度。优选的，得到高强度钢表面层残余压应力能量修订系数W'res，具体计算方法如下：其中，h为残余应力影响层深，h0为残余应力开始转化时的层深；f(x)为残余应力随深度h变化的拟合曲线；cos(πx/2h0)为考虑不同深度处的残余应力对疲劳寿命的影响系数。优选的，考虑到X射线应力对不同深度的残余应力进行测量时，产生的损伤很难以进行后期的疲劳试验，因此对每个试样的残余应力的能量修订值通过对表面的测量值与测量试样的表面采用等比例关系的形式取点，具体为：其中，σsurf,ti为疲劳试验试样的表面残余应力，σsurf,conf为进行不同深度测试的表面残余应力，W'res,conf为通过不同深度的残余应力值得到的能量修订项。优选的，将总能量的修订系数代入单周次循环能量密度-寿命方法的表面层残余压应力能量修订系数项，得到修订方程：其中，m、n、W'f为材料常数，ΔKth为表面形貌和表面硬度对总能量的一个能量修订系数，ΔWb为塑性应变能修正项。优选的，对中低周疲劳试验数据进行提取，获得稳定时的单周次塑性应变能ΔWb，具体为：其中，X为摩擦应力，Δγp为总的应变幅，Δτ为总的应力幅，n'为循环硬化系数。本专利技术的有益效果在于：本专利技术提出了一种考虑加工表面完整性的能量法预测疲劳寿命方法，在传统的能量寿命预测模型—单周次循环能量密度-寿命方法的基础上进行了疲劳总能量系数的修正，改进了其能量系数的表征方法，理论基础坚实，材料参数优化简单，更适用于工程实际使用。本专利技术可以同时考虑表面层的力学-几何-冶金特征的疲劳寿命预测，具备材料的中低周疲劳寿命的表征和预测，具有面向材料的服役性能的表面完整性评价能力。本专利技术可以基于现有的实验数据准备预测尚未开展实验的不同表面粗糙度、硬度和残余应力的中低周疲劳寿命，避免了大量实验重复和浪费，大大缩短的试验周期，具有显著的科研价值和经济效应。本专利技术首次通过引入残余应力随深度围成的面积的影响因子来考虑表面力学特征对应变能的变化，同时，通过以微裂纹不扩展阈值的影响因子来考虑表面层几何和冶金对应变能的影响，阐明了表面层的几何-力学-冶金特征在能量法的应用中物理意义，能解释很多其他方法无法解释的疲劳现象，应用简单，比较适用于工程应用。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。图1为本专利技术的方法流程图。图2为本专利技术中低周疲劳试验的试样尺寸图。图3为本专利技术中低周疲劳试验的载荷谱。图4为本专利技术表面形貌和表面硬度对总能量的修订系数与疲劳寿命的变化趋势图。图5为本专利技术表面层的残余应力能量修订系数物理示意图。图6为本专利技术表面层残余应力求解能量修订系数示意图。图7为本专利技术残余应力能量修订系数对总能量的变换趋势图。图8为本专利技术循环迟滞回线稳定时的单周次塑性应变能计算示意图。图9为单周次塑性应变能结果图。图10为通过时时统计不同表面完整性参数的单周次能量密度对寿命进行预测的结果图。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，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，都属于本专利技术保护的范围。本专利技术提出了一种考虑加工表面完整性的能量法预测疲劳寿命方法，其目的是采用同一种方法即可对不同表面完整性特征的材料中低周疲劳寿命进行准确地表征和预测。该方法实在国际通用中低周疲劳寿命预测模型—单周次循环能量密度-寿命方法的基础上，考虑了不同深度的残余应力对材料塑性的影响，通过引入残余应力随深度围成的面积的影响因子，同时，通过以微裂纹不扩展阈值的影响因子，提出了有效的疲劳总能量系数，修正了疲劳能量系数，使其能够充分考虑表面层几何和冶金效应，进而建立了一种预测中低周疲劳寿命的能量法预测方法。该模型既能阐明表面层的几何-力学-冶金特征在能量法的应用中物理意义，又能兼顾模型的简洁性，有效解决材料在中低周疲劳不同表面完整性作用下的寿命预测问题，采用微裂纹不扩展阈值和残余应力随深度面积表征的方法对—单周次循环能量密度-寿命方法的材料参数进行优化计算，材料参数优化过程简便。请参阅附图1，本专利技术提供了一种考虑加工表面完整性的能量法预测疲劳寿命方法，包括如下步骤：S1：开展获得不同表面完整性的加工工艺试验，获得疲劳试验前的几何-力学-冶金性能；通过改变加工工艺的方式获得不同表面完整性的疲劳试样，疲劳试验前，对各个试样的表面粗本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种考虑加工表面完整性的能量法预测疲劳寿命方法，其特征在于，包括如下步骤：/nS1：开展获得不同表面完整性的加工工艺试验，获得疲劳试验前的几何-力学-冶金性能；/nS2：开展应变比为零的中低周应变控制疲劳试验，获得不同循环周次的迟滞环数据和疲劳寿命数据；/nS3：通过微裂纹不扩展阈值获得表面形貌和表面硬度对总能量的修订系数；/nS4：获得考虑不同深度的表面层残余压应力能量修订系数；/nS5：将总能量的修订系数代入单周次循环能量密度-寿命方法的表面层残余压应力能量修订系数项；/nS6：通过背应力方程获得疲劳试验时稳定时的单周次塑性应变能；/nS7：采用修正单周次循环能量密度-寿命方法实现材料不同加工表面完整性参数下疲劳寿命预测与表征。/n

【技术特征摘要】
1.一种考虑加工表面完整性的能量法预测疲劳寿命方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：开展获得不同表面完整性的加工工艺试验，获得疲劳试验前的几何-力学-冶金性能；
S2：开展应变比为零的中低周应变控制疲劳试验，获得不同循环周次的迟滞环数据和疲劳寿命数据；
S3：通过微裂纹不扩展阈值获得表面形貌和表面硬度对总能量的修订系数；
S4：获得考虑不同深度的表面层残余压应力能量修订系数；
S5：将总能量的修订系数代入单周次循环能量密度-寿命方法的表面层残余压应力能量修订系数项；
S6：通过背应力方程获得疲劳试验时稳定时的单周次塑性应变能；
S7：采用修正单周次循环能量密度-寿命方法实现材料不同加工表面完整性参数下疲劳寿命预测与表征。


2.根据权利要求1所述的一种考虑加工表面完整性的能量法预测疲劳寿命方法，其特征在于，得到高强度钢表面微裂纹不扩展阈值的表达式如下：



其中，考虑到Ry/Rz预测缺口几何结构的这些变化，a和b分别为表面粗糙度RaRy/Rz、Rsm参数。


3.根据权利要求2所述的一种考虑加工表面完整性的能量法预测疲劳寿命方法，其特征在于，考虑到高强度钢硬度较大时对微裂纹具有较强的敏感性，获得表面形貌和表面硬度对总能量的修订系数，具体为：



其中，为表面微裂纹不扩展阈值，HV为表面维氏硬度。


4.根据权利要求3所述的一种考虑加工表面完整性的能量法预测疲劳寿命方法，其特征在于，得到高强度钢表面层残余压应力能...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘志兵，王永，王西彬，刘书尧，潘小雨，宋慈，陈洪涛，白翌帆，王湃，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京;11