基于DIC的金属材料高周表面失效寿命预测方法技术

本发明专利技术公开了一种基于DIC的金属材料高周表面失效寿命预测方法，该方法包括：一、获取材料单轴恒幅加载条件下金属材料的疲劳特性；二、获取裂尖开始出现塑性区时的载荷值；三、获取裂尖塑性区尺寸；四、获取物理小裂纹至长裂纹扩展阶段的疲劳裂纹扩展速率；五、建立微观小裂纹扩展阶段的模型；六、获取多尺度寿命预测模型。本发明专利技术通过结合DIC评估在特定载荷条件下裂纹尖端应力场、塑性区尺寸，进而基于裂纹闭合效应建立裂尖塑性区计算模型，随后在表征物理小裂纹至长裂纹扩展阶段的基础上，结合局部屈服强度理论，建立多尺度表面裂纹扩展寿命预测模型，解决了在寿命预测过程中对微观小裂纹和物理小裂纹分开考虑的问题，更具有实际意义。意义。意义。

【技术实现步骤摘要】
基于DIC的金属材料高周表面失效寿命预测方法


[0001]本专利技术属于金属材料疲劳失效
，尤其是涉及一种基于DIC的金属材料高周表面失效寿命预测方法。

技术介绍

[0002]数字图像相关法(DIC)，又称数字散斑相关法，是将试件变形前后的两幅数字图像，通过相关计算获取感兴趣区域的变形信息；是一种追踪试验物体表面的应变变化和位移变化的技术。高循环疲劳，又称高周疲劳，作用于零件、构件的应力水平较低，破坏循环次数般高于104～105的疲劳，弹簧、传动轴等的疲劳属此类。在损伤容限设计中，材料或构件内部的原始缺陷被认为是初始裂纹，因而基于此建立的寿命预测模型并未考虑到裂纹萌生寿命。对于长寿命疲劳而言，小裂纹扩展寿命占据了总疲劳寿命的绝大部分，故总疲劳寿命N
f
可以分为四个部分，即萌生裂纹N
ISC
、微观小裂纹N
MSC
、物理小裂纹N
PSC
与长裂纹N
LC
四个阶段各自消耗的循环数。
[0003]大多数研究中将N
MSC
与N
PSC
视为一个整体，基于裂纹尖端位移理论描述小裂纹扩展过程。但从裂纹扩展的角度出发，虽然二者均属于小裂纹范畴，但是从裂纹扩展速率角度则体现出截然不同的扩展模式。因此，在进行寿命预测建模时将MSC阶段与PSC阶段分开考虑更具有实际意义。从裂纹长度角度出发，可将PSC视为MSC与LC之间的转化尺寸，即从PSC阶段开始，裂纹由线弹性断裂力学(LEFM)控制，但同时由受到微观结构的影响。另外，宏观疲劳试验中建立的裂纹长度与应力强度因子的关系证明了PSC阶段的门槛值之间与LC阶段的门槛值趋于一致。并且大多数研究期望得到裂纹转化尺寸的具体值，这些数值通常与平均晶粒尺寸有关。这说明在材料、晶粒尺寸、微观结构、载荷、试件形貌等因素的共同作用下，不同尺度的裂纹扩展过程是平滑过渡的，并非突然发生。因此无法给出相邻裂纹扩展阶段明确的界限。基于以上分析，为了用统一的模型预测总体疲劳裂纹寿命，就需要建立多尺度寿命预测模型，对金属材料的疲劳寿命进行预测。

技术实现思路

[0004]本专利技术所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于DIC的金属材料高周表面失效寿命预测方法，通过结合数字图像相关技术评估在特定载荷条件下裂纹尖端应力场、塑性区尺寸，进而基于裂纹闭合效应建立裂尖塑性区计算模型，随后在表征物理小裂纹至长裂纹扩展阶段的基础上，结合局部屈服强度理论，建立多尺度表面裂纹扩展寿命预测模型，解决了在寿命预测过程中对微观小裂纹和物理小裂纹分开考虑的问题，更具有实际意义。
[0005]为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：基于DIC的金属材料高周表面失效寿命预测方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
[0006]步骤一、获取材料单轴恒幅加载条件下金属材料的疲劳特性：根据金属材料疲劳试验标准，进行不同条件下的恒幅疲劳试验，将所得试验数据绘制在坐标系内，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
‑
寿命曲线和拟合公式lgσ
a
＝A lg N
f
+B；其中，σ
a
为加载的应力幅值，N
f
为与加载的应力幅值对应的试验疲劳寿命，A和B为拟合参数；
[0007]步骤二、获取裂尖开始出现塑性区时的载荷值，过程如下：
[0008]步骤201、利用原位疲劳试验系统对试件施加应力幅值低的循环载荷，使所述试件的缺口尖端萌生出裂纹；
[0009]步骤202、根据步骤一中的应力
‑
寿命曲线修改循环载荷幅值，以观测高周疲劳状态下的裂纹扩展行为；
[0010]步骤203中，调整施加在所述试件上的载荷幅值，载荷幅值每增加5％，利用光学显微镜拍摄一张显微照片，并导入DIC分析系统中进行分析；
[0011]步骤204、以施加在所述试件上载荷最小时的显微照片作为基准，将其他载荷水平下的显微照片与之进行对比计算；计算时由裂尖位置开始，沿裂纹扩展方向测定不同位置处的应变数值，获得裂尖塑性区尺寸，并得到裂尖塑性区开始时的载荷值为最大载荷值的53％；其中，测定不同位置的应变数值时需多次测量取平均值；
[0012]步骤三、获取裂尖塑性区尺寸，过程如下：
[0013]步骤301、根据Murakami的理论，得到带有单边裂纹的板状试件应力强度因子计算公式其中，K为应力强度因子，σ为应力数值，a为裂纹长度，F为试样几何参数，且W为试样宽度；
[0014]步骤302、结合裂纹闭合效应，裂尖塑性区尺寸的理论计算公式为其中，ρ
f
是裂尖塑性区尺寸，σ
y
是材料屈服强度，K0为裂尖张开瞬间的应力强度因子，且K0≈0.53K
max
，K
max
为加载过程中最大应力强度因子；
[0015]步骤四、获取物理小裂纹至长裂纹扩展阶段的疲劳裂纹扩展速率：结合Paris公式和Zheng
‑
Hirt公式，Santus与Taylor用小裂纹应力强度因子范围ΔK
th
‑
small
替代ΔK
th
‑
long
，用于预测小裂纹扩展速率，即其中，为裂纹扩展速率，C与m均为拟合参数，是材料长裂纹阶段的门槛值；根据Murakami公式ΔK
th
‑
small
可表示为其中，HV是材料显微硬度，约为342HV，λ1与λ2均为拟合参数，为裂纹长度2a；
[0016]步骤五、建立微观小裂纹扩展阶段的模型：结合LEFM的使用条件和Zheng
‑
Hirt公式，Chan与Lankford通过对ΔK进行修正，得到用于描述微观小裂纹阶段的修正应力强度因子范围ΔK
*
，即ΔK
*
＝ΔK*q；其中，q为修正系数，且＝ΔK*q；其中，q为修正系数，且为局部屈服强度；
[0017]步骤六、获取多尺度寿命预测模型；结合步骤三、步骤四和步骤五中的公式，得到
涵盖微观小裂纹、物理小裂纹与长裂纹过程的多尺度裂纹扩展速率的预测公式为；
[0018]其中，n和m均为拟合参数。
[0019]上述的基于DIC的金属材料高周表面失效寿命预测方法，其特征在于：步骤201中，所述原位疲劳试验系统包括原位疲劳试验设备、光学显微镜、工业相机、以及DIC分析系统，所述试件装夹在所述原位疲劳试验设备上，所述光学显微镜和所述工业相机布设在所述试件的上方，所述原位疲劳试验设备和所述DIC分析系统连接。
[0020]上述的基于DIC的金属材料高周表面失效寿命预测方法，其特征在于：步骤201中，分析所述试件时，将试件装夹在原位疲劳试验设备上，通过编制载荷谱对所述试件施加不同应力比的循环载荷，通过光学显微镜获取裂纹尖端周围区域的细观显微照片，利用工业本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于DIC的金属材料高周表面失效寿命预测方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤一、获取材料单轴恒幅加载条件下金属材料的疲劳特性：根据金属材料疲劳试验标准，进行不同条件下的恒幅疲劳试验，将所得试验数据绘制在坐标系内，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
‑
寿命曲线和拟合公式lgσ
a
＝AlgN
f
+B；其中，σ
a
为加载的应力幅值，N
f
为与加载的应力幅值对应的试验疲劳寿命，A和B为拟合参数；步骤二、获取裂尖开始出现塑性区时的载荷值，过程如下：步骤201、利用原位疲劳试验系统对试件施加应力幅值低的循环载荷，使所述试件的缺口尖端萌生出裂纹；步骤202、根据步骤一中的应力
‑
寿命曲线修改循环载荷幅值，以观测高周疲劳状态下的裂纹扩展行为；步骤203中，调整施加在所述试件上的载荷幅值，载荷幅值每增加5％，利用光学显微镜(2)拍摄一张显微照片，并导入DIC分析系统(4)中进行分析；步骤204、以施加在所述试件上载荷最小时的显微照片作为基准，将其他载荷水平下的显微照片与之进行对比计算；计算时由裂尖位置开始，沿裂纹扩展方向测定不同位置处的应变数值，获得裂尖塑性区尺寸，并得到裂尖塑性区开始时的载荷值为最大载荷值的53％；其中，测定不同位置的应变数值时需多次测量取平均值；步骤三、获取裂尖塑性区尺寸，过程如下：步骤301、根据Murakami的理论，得到带有单边裂纹的板状试件应力强度因子计算公式其中，K为应力强度因子，σ为应力数值，a为裂纹长度，F为试样几何参数，且W为试样宽度；步骤302、结合裂纹闭合效应，裂尖塑性区尺寸的理论计算公式为其中，ρ
f
是裂尖塑性区尺寸，σ
y
是材料屈服强度，K0为裂尖张开瞬间的应力强度因子，且K0≈0.53K
max
，K
max
为加载过程中最大应力强度因子；步骤四、获取物理小裂纹至长裂纹扩展阶段的疲劳裂纹扩展速率：结合Paris公式和Zheng
‑
Hirt公式，Santus与Taylor用小裂纹应力强度因子范围ΔK
...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙锐，张文，白润，夏明星，蔡小梅，王峰，
申请(专利权)人：西北有色金属研究院，
类型：发明
国别省市：