一种超高周疲劳寿命预测方法、装置及可存储介质制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种超高周疲劳寿命预测方法、装置及可存储介质，涉及材料寿命预测技术领域，该方法包括：对金属材料进行疲劳试验，构建应力

【技术实现步骤摘要】
一种超高周疲劳寿命预测方法、装置及可存储介质


[0001]本专利技术涉及材料寿命预测
，更具体的说是涉及一种超高周疲劳寿命预测方法、装置及可存储介质。

技术介绍

[0002]铁路车轮和轨道、海洋结构物、桥梁、发动机部件、汽车工业的承重部件等必须长期承受109‑
10
10
个加载循环。然而，大多数结构材料疲劳试验研究通常仅限于106‑
107个周期之间的试验周期。传统认知中，当金属材料零部件承受超过107个周期后，认为其不会发生疲劳破坏，即该应力数值称之为材料的疲劳极限。但近年来，一些具有疲劳极限的金属制品构件在承载超过107个周期后仍会发生失效。然而随着科技的发展，机械结构更加复杂，为了保证良好的经济性，势必要求机械结构可以长期安全服役，甚至超过预先给定的设计寿命。如此，可以有效降低材料消耗并且节约资源，满足在如此长的时间内积极使用材料与节约资源和减少全球环境负荷直接相关。而现有的疲劳寿命预测方法主要针对金属材料的低/高周疲劳寿命预测，即通过测试材料应力
‑
寿命曲线，绘制等寿命图，以此预测金属材料的疲劳寿命。一方面，该类方法无法保证金属材料在超高周疲劳状态下的寿命预测精度；另一方面，由于超高周疲劳状态下金属材料存在不同的失效模式，该类方法也无法针对特定的失效模式进行寿命预测。
[0003]因此，针对不同疲劳失效模式，结合金属材料微观结构特征，如何从能量法的角度出发对金属材料超高周疲劳寿命进行预测是本领域技术人员亟需解决的问题。

技术实现思路
r/>[0004]有鉴于此，本专利技术提供了一种超高周疲劳寿命预测方法、装置及可存储介质，可以针对不同疲劳失效模式，结合金属材料微观结构特征，从能量法的角度出发对金属材料超高周疲劳寿命进行预测，提高了预测精度。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术实施例提供了一种基于能量法的金属材料超高周疲劳寿命预测方法，包括以下步骤：
[0006]对金属材料进行疲劳试验，构建应力
‑
寿命曲线；
[0007]对疲劳试验断口进行测量裂纹萌生区的特征尺寸，并计算所述裂纹萌生区的应力强度因子范围；
[0008]基于断裂力学与能量法，求解裂纹萌生过程中的Gibbs自由能变；
[0009]结合存储在单个或等效滑移带的位错偶极子中的应变能，建立裂纹萌生寿命预测模型；
[0010]结合所述应力
‑
寿命曲线与裂纹萌生区的特征尺寸，拟合所述裂纹萌生寿命预测模型中的关键参数；
[0011]通过所述裂纹萌生寿命预测模型，预测总疲劳寿命。
[0012]上述的技术方案公开了本专利技术中疲劳寿命预测方法的具体步骤，该方法可以针对
不同疲劳失效模式，从能量法的角度出发，建立裂纹萌生寿命预测模型，提高了寿命预测精度。
[0013]可选的，构建应力
‑
寿命曲线，包括以下步骤：
[0014]基于金属材料疲劳试验标准，进行不同应力水平下的恒幅疲劳试验，将得到的试验数据绘制在对数坐标系内，通过线性拟合，得到金属材料在恒定载荷加载条件下的应力
‑
寿命曲线为：
[0015]logσ
a
＝A log N
f
+B
ꢀꢀꢀ
(1)；
[0016]其中：σ
a
表示加载应力幅值，N
f
是试验所得的疲劳寿命，A、B是拟合参数。
[0017]可选的，计算裂纹萌生区的应力强度因子范围，包括以下步骤：
[0018]当材料出现表面失效时，裂纹萌生区的应力强度因子范围ΔK
cnz
‑
sur
为：
[0019][0020]当材料出现内部失效时，裂纹萌生区的应力强度因子范围ΔK
cnz
‑
int
为：
[0021][0022]其中，Δσ是应力范围，表示材料发生表面失效时裂纹萌生区的特征尺寸，表示材料发生内部失效时裂纹萌生区的特征尺寸。
[0023]可选的，求解裂纹萌生过程中的Gibbs自由能变，包括以下步骤：
[0024]依据断裂力学理论，裂纹萌生过程中Gibbs自由能变ΔG的表达式为：
[0025]ΔG＝
‑
W
e
‑
W
m
+2cγ
s
ꢀꢀꢀ
(4)；
[0026]其中，W
e
表示位错中弹性应变储存的能量，W
m
表示裂纹张开释放的机械能，c是初始裂纹尺寸的一半，γ
s
表示裂纹的表面自由能；
[0027]位错中弹性应变储存的能量W
e
包括位错本身具有的能量和位错偶极子相互作用的能量，即：
[0028][0029]裂纹张开释放的机械能W
m
反映初期裂纹张开弹性应变能的释放率，表达式为：
[0030][0031]初始裂纹长度与位错堆积有关，则
[0032]结合式(4)
‑
(7)，Gibbs自由能变ΔG表示为：
[0033][0034]其中，ξ是常数，d是颗粒尺寸，Δτ是解析剪应力范围，2k是塑性变形临界解析剪应力，μ是剪切模量，v是泊松比，N是循环次数。
[0035]可选的，建立裂纹萌生寿命预测模型，包括以下步骤：
[0036]Gibbs自由能变ΔG对N求偏导得：
[0037][0038]令即：
[0039][0040]根据式(10)计算得到的循环次数N就是裂纹萌生寿命N
i
：
[0041][0042]当Gibbs自由能变ΔG达到峰值时，求得W
eq
：
[0043]W
eq
＝2γ
s
d
ꢀꢀꢀ
(12)；
[0044]其中，W
eq
表示存储在单个或等效滑移带的位错偶极子中的应变能；
[0045]用于产生滑移的位错偶极子的数量n
c
以及裂纹萌生结束时的裂纹直径c'的表达式为：
[0046][0047]其中，b是Burger矢量的大小，h是滑移带的宽度；
[0048]结合式(12)和式(13)，得到γ
s
：
[0049][0050]将式(14)代入式(11)得：
[0051][0052]对于多晶材料，施加的正应力范围Δσ和剪切应力范围Δτ通过泰勒因子进行关联，式(15)写成：
[0053][0054]其中，2Mk表示疲劳极限，M是泰勒系数，裂纹萌生结束时的裂纹直径c'表示为故式(16)写成：
[0055][0056]结合式(2)、式(3)和式(17)，表面失效的裂纹萌生寿命为：
[0057][0058]同理，内部失效的裂纹萌生寿命为：
[0059][006本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于能量法的金属材料超高周疲劳寿命预测方法，其特征在于，包括以下步骤：对金属材料进行疲劳试验，构建应力
‑
寿命曲线；对疲劳试验断口进行测量裂纹萌生区的特征尺寸，并计算所述裂纹萌生区的应力强度因子范围；基于断裂力学与能量法，求解裂纹萌生过程中的Gibbs自由能变；结合存储在单个或等效滑移带的位错偶极子中的应变能，建立裂纹萌生寿命预测模型；结合所述应力
‑
寿命曲线与裂纹萌生区的特征尺寸，拟合所述裂纹萌生寿命预测模型中的关键参数；通过所述裂纹萌生寿命预测模型，预测总疲劳寿命。2.根据权利要求1所述的一种基于能量法的金属材料超高周疲劳寿命预测方法，其特征在于，构建应力
‑
寿命曲线，包括以下步骤：基于金属材料疲劳试验标准，进行不同应力水平下的恒幅疲劳试验；将得到的试验数据绘制在对数坐标系内，通过线性拟合，得到金属材料在恒定载荷加载条件下的应力
‑
寿命曲线为：logσ
a
＝AlogN
f
+B
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)；其中：σ
a
表示加载应力幅值，N
f
是试验所得的疲劳寿命，A、B是拟合参数。3.根据权利要求1所述的一种基于能量法的金属材料超高周疲劳寿命预测方法，其特征在于，计算所述裂纹萌生区的应力强度因子范围，包括以下步骤：当材料出现表面失效时，裂纹萌生区的应力强度因子范围ΔK
cnz
‑
sur
为：当材料出现内部失效时，裂纹萌生区的应力强度因子范围ΔK
cnz
‑
int
为：其中，Δσ是应力范围，表示材料发生表面失效时裂纹萌生区的特征尺寸，表示材料发生内部失效时裂纹萌生区的特征尺寸。4.根据权利要求1所述的一种基于能量法的金属材料超高周疲劳寿命预测方法，其特征在于，求解裂纹萌生过程中的Gibbs自由能变，包括以下步骤：依据断裂力学理论，裂纹萌生过程中Gibbs自由能变ΔG的表达式为：ΔG＝
‑
W
e
‑
W
m
+2cγ
s
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)；其中，W
e
表示位错中弹性应变储存的能量，W
m
表示裂纹张开释放的机械能，c是初始裂纹尺寸的一半，γ
s
表示裂纹的表面自由能；位错中弹性应变储存的能量W
e
包括位错本身具有的能量和位错偶极子相互作用的能量，即：
裂纹张开释放的机械能W
m
反映初期裂纹张开弹性应变能的释放率，表达式为：初始裂纹长度与位错堆积有关，则结合式(4)
‑
(7)，Gibbs自由能变ΔG表示为：其中，ξ是常数，d是颗粒尺寸，Δτ是解析剪应力范...

【专利技术属性】
技术研发人员：李伟，孙锐，周思奇，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：