【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及材料科学与工程应用，具体为一种基于总应变能变化量的金属材料疲劳寿命预测方法。
技术介绍
1、工程构件在服役过程中承受应力或应变的循环加载时，通常会产生疲劳损伤并最终引发构件失效。疲劳断裂过程通常不存在明显征兆，因此当设备中的一些关键承载件，如：柴油机缸盖、汽车板簧、航空发动机叶片等部位发生疲劳破坏后，极易引发灾难性后果。探寻引发材料疲劳损伤的关键因素，提出合理、准确的疲劳寿命评价和预测模型，是有效避免疲劳破坏严重后果的前提。
2、目前，经典的疲劳寿命预测模型可以分为两类，一类是传统的basquin模型和coffin-manson模型，这类模型认为材料的疲劳寿命主要与其所承载的应力幅或应变幅有关。然而，由于金属材料强度和塑性通常存在倒置关系，因此上述模型在对不同材料进行疲劳性能评价时并不全面。basquin模型评价通常更有利于强度较高而塑性较低的材料，coffin-manson模型评价更有利于塑性较好而强度较低的材料。由于存在上述问题，研究人员又提出了可以同时考量强度和塑性的滞回能模型，该模型认为材料疲劳寿命与塑性应变能在双对数坐标下呈线性关系。然而，该模型无法有效考量弹性变形过程中产生的累积损伤。因此，针对不同类型不同力学性能的金属材料，急需一种可以对其在疲劳过程中产生的损伤进行全面考察的疲劳寿命预测方法。
技术实现思路
1、为了克服现有金属材料疲劳寿命预测方法中存在的问题，本专利技术的目的在于提供一种基于总应变能变化量的金属材料疲劳寿命预测方法，通过建立
2、为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：
3、一种基于总应变能变化量的金属材料疲劳寿命预测方法，该预测方法具体包括如下步骤：
4、(1)选择不同机械应变幅对两组同系列金属材料进行应变控制疲劳性能测试，获得相应滞回曲线及疲劳寿命值；
5、(2)选取中寿命滞回曲线，利用滞回曲线面积获得塑性应变能，利用滞回曲线中的拉、压弹性应变量和弹性应力范围计算相应弹性应变能；
6、(3)获得测量数据中的总应变能wt以及对应的机械应变幅εmech，并建立二者之间的定量关系；
7、(4)获得测量数据中的总应变能wt以及对应疲劳寿命nf，并建立二者之间的定量关系；
8、(5)将需预测的机械应变幅值代入步骤(3)中，结合已测得的总应变能数据求得待预测机械应变幅值的总应变能；
9、(6)将步骤(5)中获得的总应变能代入步骤(4)中，结合已测得的疲劳寿命数据获得待预测机械应变幅值的目标疲劳寿命。
10、所述的基于总应变能变化量的金属材料疲劳寿命预测方法，步骤(1)中，应变控制疲劳包括低周疲劳或热机械疲劳，所选取的机械应变幅值不低于材料在对应实验条件下的屈服应变。
11、所述的基于总应变能变化量的金属材料疲劳寿命预测方法，步骤(2)中，滞回曲线面积不为0，总应变能为塑性应变能及拉、压弹性应变能之和。
12、所述的基于总应变能变化量的金属材料疲劳寿命预测方法，步骤(2)中，拉、压弹性应变量均为总机械应变与塑性应变差值的一半，弹性应力范围近似为应力幅值。
13、所述的基于总应变能变化量的金属材料疲劳寿命预测方法，步骤(3)中，总应变能变化量δwt与机械应变幅变化量δεmech呈线性关系，该线性关系如公式(1)，式中k为材料常数；
14、δwt＝kδεmech (1)
15、将总应变能变化量δwt与测试采用的机械应变幅变化量δεmech按照公式(1)进行归零线性拟合，获得有效损伤增长率系数k。
16、所述的基于总应变能变化量的金属材料疲劳寿命预测方法，按照获得的有效损伤增长率系数k计算待预测机械应变幅的总应变能。
17、所述的基于总应变能变化量的金属材料疲劳寿命预测方法，步骤(4)中，总应变能变化量δwt与疲劳寿命变化量δnf在双对数坐标下呈线性关系，该线性关系如公式(2)，式中β为材料常数；
18、δlgwt＝βδlgnf (2)
19、将总应变能变化量与疲劳寿命变化量在双对数坐标下按照公式(2)进行归零线性拟合，获得有效损伤抗性系数β。
20、所述的基于总应变能变化量的金属材料疲劳寿命预测方法，步骤(4)中，应变控制疲劳实验需选择至少两个不同机械应变幅进行实验，待确定β值后预测其他机械应变幅的疲劳寿命。
21、所述的基于总应变能变化量的金属材料疲劳寿命预测方法，步骤(5)中，通过机械应变幅εmech预测材料的总应变能，适用于低周疲劳以及热机械疲劳测试方法；或者，通过公式(3)将不同测试方法之间建立联系，式中γ为不同测试条件对材料产生的损伤差异；
22、k1＝γk2 (3)。
23、本专利技术的设计思想是：
24、传统的coffin-manson模型或滞回能模型通常只考虑材料在塑性变形过程中发生的累积损伤，而忽略材料在弹性变形过程中发生的累积损伤。本专利技术首先利用滞回曲线计算总应变能，然后将不同机械应变幅下的总应变能作差以抵消无损伤弹性应变能对寿命预测结果的影响，最后将总应变能变化量与机械应变幅变化量建立线性关系后通过能量模型进行寿命预测。该方法仅需进行两组实验，即可实现相同实验条件不同机械应变幅下的疲劳寿命预测。同时仅需三组实验，即可实现不同试验条件不同机械应变幅下的疲劳寿命预测。
25、本专利技术的优点和有益效果如下：
26、1、本专利技术综合考虑了循环加载过程中宏观弹性变形阶段以及塑性变形阶段对材料产生的累积损伤，计算结果更接近真实损伤值。
27、2、本专利技术利用变化量值合理抵消弹性变形过程中未产生累积损伤部分的应变能，在不影响模型准确性的同时使模型具备更准确的物理意义。
28、3、本专利技术发现了机械应变幅变化量与总应变能变化量存在线性关系，可通过检测两个应变幅后预测其他任意应变幅的总应变能，进而预测疲劳寿命，极大降低测试成本。
29、4、本专利技术模型具有较高准确性和普适性，适用于应变控制下不同类型、不同测试环境的金属材料疲劳寿命预测。
本文档来自技高网...【技术保护点】
1.一种基于总应变能变化量的金属材料疲劳寿命预测方法，其特征在于，该预测方法具体包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的基于总应变能变化量的金属材料疲劳寿命预测方法，其特征在于，步骤(1)中，应变控制疲劳包括低周疲劳或热机械疲劳，所选取的机械应变幅值不低于材料在对应实验条件下的屈服应变。
3.根据权利要求1所述的基于总应变能变化量的金属材料疲劳寿命预测方法，其特征在于，步骤(2)中，滞回曲线面积不为0，总应变能为塑性应变能及拉、压弹性应变能之和。
4.根据权利要求1所述的基于总应变能变化量的金属材料疲劳寿命预测方法，其特征在于，步骤(2)中，拉、压弹性应变量均为总机械应变与塑性应变差值的一半，弹性应力范围近似为应力幅值。
5.根据权利要求1所述的基于总应变能变化量的金属材料疲劳寿命预测方法，其特征在于，步骤(3)中，总应变能变化量ΔWt与机械应变幅变化量Δεmech呈线性关系，该线性关系如公式(1)，式中k为材料常数；
6.根据权利要求5所述的基于总应变能变化量的金属材料疲劳寿命预测方法，其特征在于，按照获得的有效损伤增
7.根据权利要求1所述的基于总应变能变化量的金属材料疲劳寿命预测方法，其特征在于，步骤(4)中，总应变能变化量ΔWt与疲劳寿命变化量ΔNf在双对数坐标下呈线性关系，该线性关系如公式(2)，式中β为材料常数；
8.根据权利要求7所述的基于总应变能变化量的金属材料疲劳寿命预测方法，其特征在于，步骤(4)中，应变控制疲劳实验需选择至少两个不同机械应变幅进行实验，待确定β值后预测其他机械应变幅的疲劳寿命。
9.根据权利要求1所述的基于总应变能变化量的金属材料疲劳寿命预测方法，其特征在于，步骤(5)中，通过机械应变幅εmech预测材料的总应变能，适用于低周疲劳以及热机械疲劳测试方法；或者，通过公式(3)将不同测试方法之间建立联系，式中γ为不同测试条件对材料产生的损伤差异；
...【技术特征摘要】
1.一种基于总应变能变化量的金属材料疲劳寿命预测方法，其特征在于，该预测方法具体包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的基于总应变能变化量的金属材料疲劳寿命预测方法，其特征在于，步骤(1)中，应变控制疲劳包括低周疲劳或热机械疲劳，所选取的机械应变幅值不低于材料在对应实验条件下的屈服应变。
3.根据权利要求1所述的基于总应变能变化量的金属材料疲劳寿命预测方法，其特征在于，步骤(2)中，滞回曲线面积不为0，总应变能为塑性应变能及拉、压弹性应变能之和。
4.根据权利要求1所述的基于总应变能变化量的金属材料疲劳寿命预测方法，其特征在于，步骤(2)中，拉、压弹性应变量均为总机械应变与塑性应变差值的一半，弹性应力范围近似为应力幅值。
5.根据权利要求1所述的基于总应变能变化量的金属材料疲劳寿命预测方法，其特征在于，步骤(3)中，总应变能变化量δwt与机械应变幅变化量δεmech呈线性关系，该线性关系如公式(1)，式中k为材料...
【专利技术属性】
技术研发人员：邹成路，庞建超，高崇，李守新，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：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。