【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及到金属材料的疲劳寿命预测领域，尤其是涉及一种适用于含复杂形状缺陷材料的疲劳寿命预测方法。
技术介绍
1、在各种工程应用中，材料的疲劳性能是至关重要的。对于一些含有复杂形状缺陷的材料，如铸造、锻造或焊接过程中的缺陷，其疲劳性能可能会受到严重影响。预测这些材料的疲劳寿命是评估其在使用过程中可能发生破坏的关键。然而，目前的方法往往无法准确地预测这些含有复杂形状缺陷的材料的有效疲劳寿命。
2、目前，用于预测材料疲劳寿命的方法主要基于材料的s-n曲线(应力-寿命曲线)。s-n曲线是通过实验获得的，它反映了材料在恒定应力下的疲劳寿命。然而，这种方法需要大量的实验数据，并且无法考虑材料中的复杂形状缺陷。此外，一些基于有限元分析的方法也被用于预测含缺陷材料的疲劳寿命。这些方法可以模拟含复杂形状缺陷材料在循环应力状态下的行为，但它们通常需要详细的材料参数和复杂的模拟计算，工作量巨大、计算成本较高。
3、模型方面，尽管已经有一些针对含有缺陷的材料进行疲劳寿命预测的研究，但这些方法往往只能处理特定类型的缺陷，而不能广泛适用于不同类型的复杂形状缺陷。拿经典的murakami方法举例，其针对氧化物和氮化物等形状较简单的非金属夹杂物适用性较好，近年来也有一些学者将其用于增材制造材料中形状稍复杂的气孔和未熔合缺陷。然而，针对渗碳钢和冷作工具钢等材料中形状异常复杂的碳化物团簇，murakami方法无法给出一个具体的缺陷尺寸测量标准，从而无法给出准确的疲劳寿命预测结果。
4、因此，需要一种新的方法来预测含有复杂形
技术实现思路
1、本专利技术目的是提供一种适用于含复杂形状缺陷材料的疲劳寿命预测方法，以克服上述现有技术存在的因缺陷形状复杂而无法准确预测疲劳寿命的缺陷。
2、本专利技术为实现上述目的所采用的技术方案是：一种适用于含复杂形状缺陷材料的疲劳寿命预测方法，包括以下步骤：
3、1)对待测材料的疲劳断口中的裂纹萌生源进行表征，将缺陷与基体进行二值化处理，得到缺陷轮廓；
4、2)获取缺陷轮廓中的初始裂纹，并确定每一步裂纹所需扩展的长度区间；
5、3)获取裂纹扩展速率，并得到每个区间内的扩展寿命，将各个区间扩展寿命累加得到总寿命；
6、4)设定初始材料相关常数值，根据已有疲劳试样的断口裂纹源信息和所受疲劳载荷进行疲劳寿命预测，得到疲劳寿命预测结果；
7、5)将疲劳寿命预测结果与实测疲劳寿命结果进行对比分析，获得最终材料相关常数值；
8、6)对该待测材料含缺陷组织的微观图像进行采集，将缺陷与基体进行二值化处理，利用步骤5)中得到的最终材料相关常数值，结合步骤2)～步骤4)，对该材料在给定应力幅下的疲劳寿命进行预测。
9、所述待测材料的疲劳断口不少于4个。
10、步骤2)中，所述获取缺陷轮廓中的初始裂纹为：将缺陷轮廓中所包含的半径为r0的最大内接圆作为初始裂纹。
11、步骤2)中，所述确定每一步裂纹所需扩展的长度区间，具体为：
12、通过离散方法，确定裂纹扩展步长δri及裂纹尺寸上限rc；
13、测量每一步裂纹边缘上的基体占比fi，确定每一步裂纹所需扩展的长度区间[ri-1,ri-1+fi·δri]。
14、步骤3)中，所述获取裂纹扩展速率，具体为：
15、基于pairs公式，裂纹扩展速率描述为：
16、
17、其中，dr/dn为裂纹扩展速率，c、m为材料相关常数，δkeff为有效应力强度因子范围；
18、对于圆形深埋裂纹，其有效应力强度因子范围为：
19、
20、其中，δσeff为有效应力范围，与疲劳试样所受应力相关，r为裂纹半径。
21、步骤3)中，所述得到每个区间内的扩展寿命，将各个区间扩展寿命累加得到总寿命，具体为：
22、获取每个区间内的扩展寿命，即：
23、
24、将各个区间扩展寿命累加得到总寿命n，即：
25、
26、所述步骤5)具体为：
27、通过设定初始c、m值，根据已有疲劳试样的断口裂纹源信息和所受疲劳载荷进行疲劳寿命预测，然后将预测结果与实测疲劳寿命结果进行对比分析，对c、m值进行反复迭代使得寿命预测精度最佳，获得最终c、m值。
28、本专利技术具有以下有益效果及优点：
29、1.本专利技术使用缺陷轮廓所包含的最大内接圆作为初始裂纹，采用离散方法考虑疲劳裂纹扩展过程，通过裂纹边缘上的基体占比这一关键信息，使得本专利技术自然包含缺陷形状对疲劳寿命的影响，并且本专利技术适用于含复杂形状缺陷材料的疲劳寿命预测，解决了现有技术存在的因缺陷形状复杂而无法准确预测疲劳寿命的问题；
30、2.本专利技术所述方案只需对某一种金属材料进行少量的疲劳实验，最少只需4个疲劳样品即可获得疲劳寿命预测所需的材料常数，再结合同一材料含缺陷组织的微观图像，即可简单、较为准确地预测该含缺陷组织在给定应力幅下的疲劳寿命；
31、3.本专利技术对疲劳断口中的裂纹萌生源进行表征，将缺陷与基体进行二值化处理，方便后续使用软件编程读取萌生源缺陷的关键信息，从而进行疲劳寿命预测相关计算，可以节省大量人力。
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1.一种适用于含复杂形状缺陷材料的疲劳寿命预测方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种适用于含复杂形状缺陷材料的疲劳寿命预测方法，其特征在于，所述待测材料的疲劳断口不少于4个。
3.根据权利要求1所述的一种适用于含复杂形状缺陷材料的疲劳寿命预测方法，其特征在于，步骤2)中，所述获取缺陷轮廓中的初始裂纹为：将缺陷轮廓中所包含的半径为r0的最大内接圆作为初始裂纹。
4.根据权利要求1所述的一种适用于含复杂形状缺陷材料的疲劳寿命预测方法，其特征在于，步骤2)中，所述确定每一步裂纹所需扩展的长度区间，具体为：通过离散方法，确定裂纹扩展步长Δri及裂纹尺寸上限rc；
5.根据权利要求1所述的一种适用于含复杂形状缺陷材料的疲劳寿命预测方法，其特征在于，步骤3)中，所述获取裂纹扩展速率，具体为：
6.根据权利要求1所述的一种适用于含复杂形状缺陷材料的疲劳寿命预测方法，其特征在于，步骤3)中，所述得到每个区间内的扩展寿命，将各个区间扩展寿命累加得到总寿命，具体为：
7.根据权利要求1所述的一种适用于含复
...【技术特征摘要】
1.一种适用于含复杂形状缺陷材料的疲劳寿命预测方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种适用于含复杂形状缺陷材料的疲劳寿命预测方法，其特征在于，所述待测材料的疲劳断口不少于4个。
3.根据权利要求1所述的一种适用于含复杂形状缺陷材料的疲劳寿命预测方法，其特征在于，步骤2)中，所述获取缺陷轮廓中的初始裂纹为：将缺陷轮廓中所包含的半径为r0的最大内接圆作为初始裂纹。
4.根据权利要求1所述的一种适用于含复杂形状缺陷材料的疲劳寿命预测方法，其特征在于，步骤2)中，所述确定每一...
【专利技术属性】
技术研发人员：许自宽，张鹏，王斌，谷雪忠，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：
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