【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及镍基高温合金疲劳寿命预测领域，具体涉及一种镍基高温合金超高周疲劳寿命预测方法。
技术介绍
1、镍基高温合金因具有优异的力学性能和耐高温性，广泛地用于航空、航天、舰船等装备中的热端构件。这些构件往往承受着低载(低于传统疲劳极限)、高频(每秒可能上千、上万次)、超高周服役周次(远超107)循环载荷的作用，超高周疲劳成为典型失效行为。因此，精准预测镍基高温合金的超高周疲劳寿命，既可保证整个构件安全稳定运行，又能充分挖掘材料的强度价值，以达到更高的经济效益。
2、研究表明，镍基高温合金在超高周疲劳阶段主要以内部失效为主。由于内部失效的断裂过程不可见，其失效机制十分复杂，一般与微观组织和晶体结构特征相关，因此应该从微观结构角度去建立寿命预测模型。然而，现有的镍基高温合金的寿命预测方法要么未涉及超高周疲劳寿命，不适用于超高周疲劳寿命预测，例如中国专利《一种镍基高温合金低周疲劳寿命预测方法及系统》(申请号：cn202211087872.7)，要么未考虑微观组织与晶体结构特征对失效机制的影响，预测精度难以保证，例如中国专利《镍基高温合金超高周疲劳寿命预测方法、校正方法及其装置》(申请号：cn202211523498.0)，仅给出了表面缺陷因素，未涉及晶体结构内部特征对超高周疲劳寿命的影响。
技术实现思路
1、以下给出一个或多个方面的简要概述以提供对这些方面的基本理解。此概述不是所有构想到的方面的详尽综览，并且既非旨在指认出所有方面的关键性或决定性要素亦非试图界定任何或所有
2、本专利技术的目的在于解决上述问题，提供了一种镍基高温合金超高周疲劳寿命预测方法，针对镍基合金超高周寿命疲劳内部失效状态，结合镍基高温合金微观结构与晶体结构特征来预测镍基高温合金超高周疲劳寿命，从而有效提升了镍基高温合金在超高周周期服役条件下的寿命预测精度。
3、本专利技术的技术方案为：
4、本专利技术提供一种镍基高温合金超高周疲劳寿命预测方法，包括以下步骤：
5、步骤s1：开展镍基高温合金单轴拉伸试验，获取镍基高温合金的弹性模量和屈服强度；
6、步骤s2：开展镍基高温合金超高周疲劳试验，绘制横幅加载条件下镍基高温合金的疲劳s-n曲线，并根据疲劳s-n曲线确定拟合参数；
7、步骤s3：测量镍基高温合金内部失效断口表面微观结构尺寸，获取内部失效断口的裂纹源小平面特征尺寸和裂纹成核区特征尺寸；
8、步骤s4：测量裂纹成核区晶体的施密特因子值，基于量裂纹成核区晶体的最大施密特因子值以及步骤s3中的裂纹源小平面特征尺寸和裂纹成核区特征尺寸来分别计算内部失效断口的裂纹源小平面应力强度因子范围和裂纹成核区应力强度因子范围；
9、步骤s5：将计算得到的裂纹成核区应力强度因子范围转化为镍基高温合金长裂纹扩展门槛值，然后利用镍基高温合金长裂纹扩展门槛值和裂纹源小平面应力强度因子范围来计算镍基高温合金单轴状态下疲劳指标参数值；
10、步骤s6：基于镍基高温合金单轴状态下疲劳指标参数值以及步骤s2中疲劳s-n曲线的拟合参数求取超高周疲劳寿命弹性应变-寿命关系公式中的镍基高温合金超高周疲劳寿命，建立镍基高温合金超高周疲劳寿命预测模型；
11、步骤s7：使用镍基高温合金超高周疲劳寿命预测模型进行镍基高温合金超高周疲劳寿命预测。
12、根据本专利技术的镍基高温合金超高周疲劳寿命预测方法的一实施例，所述镍基高温合金超高周疲劳寿命预测方法根据疲劳测试需求预设一试验温度，然后基于预设的试验温度分别开展镍基高温合金单轴拉伸试验和镍基高温合金超高周疲劳试验，以此获取同一试验温度下的单轴拉伸试验数据和超高周疲劳试验数据。
13、根据本专利技术的镍基高温合金超高周疲劳寿命预测方法的一实施例，所述单轴拉伸试验数据包括镍基高温合金在单轴拉伸试验中的应变值以及对应的应力值；其中，所述镍基高温合金超高周疲劳寿命预测方法根据获取到的单轴拉伸试验应变值以及对应的应力值来绘制应力-应变曲线，然后根据绘制的应力-应变曲线计算得到镍基高温合金的弹性模量和屈服强度。
14、根据本专利技术的镍基高温合金超高周疲劳寿命预测方法的一实施例，所述超高周疲劳试验数据包括失效循环数以及对应的应力幅值；其中，所述镍基高温合金超高周疲劳寿命预测方法将获取到的超高周疲劳试验中的失效循环数以及对应的应力幅值进行拟合，得到恒幅加载条件下的疲劳s-n曲线，然后根据疲劳s-n曲线计算得到对应的拟合参数；其中，疲劳s-n曲线方程如下：
15、σα＝a(nf)b
16、；其中，σα表示应力幅值，nf表示对应的失效循环数，a和b为所要求取的拟合参数。
17、根据本专利技术的镍基高温合金超高周疲劳寿命预测方法的一实施例，所述镍基高温合金内部失效断口表面微观结构尺寸包括内部失效断口的裂纹源小平面尺寸和裂纹成核区尺寸；其中，所述镍基高温合金在超高周疲劳试验中出现金属疲劳后，通过电子显微镜扫描得到内部失效电子显微镜图，然后根据内部失效电子显微镜图分别测定所有内部失效断口的裂纹源小平面面积和裂纹成核区面积，并对获取到的裂纹源小平面面积和裂纹成核区面积开算术平方根，从而得到内部失效断口的裂纹源小平面特征尺寸和裂纹成核区特征尺寸。
18、根据本专利技术的镍基高温合金超高周疲劳寿命预测方法的一实施例，所述镍基高温合金超高周疲劳寿命预测方法获取到内部失效断口的裂纹源小平面特征尺寸和裂纹成核区特征尺寸后，采用背散射电子显微镜来观测裂纹成核区的纵截面，从而得到裂纹成核区晶体的最大施密特因子值。
19、根据本专利技术的镍基高温合金超高周疲劳寿命预测方法的一实施例，所述镍基高温合金超高周疲劳寿命预测方法测量得到裂纹成核区晶体的最大施密特因子值后，基于裂纹成核区晶体的最大施密特因子值以及步骤s3中的裂纹源小平面特征尺寸和裂纹成核区特征尺寸来分别计算裂纹源小平面应力强度因子范围δkfacet和裂纹成核区应力强度因子范围δkcna，计算公式如下：
20、
21、；其中，δkfacetorcna表示裂纹源小平面应力强度因子范围δkfacet或裂纹成核区应力强度因子范围δkcna，
22、μ表示裂纹成核区晶体的最大施密特因子值，
23、δσ表示应力范围，
24、表示内部失效断口的裂纹源小平面特征尺寸或裂纹成核区特征尺寸
25、根据本专利技术的镍基高温合金超高周疲劳寿命预测方法的一实施例，所述镍基高温合金超高周疲劳寿命预测方计算得到裂纹成核区应力强度因子范围δkcna后，将裂纹成核区应力强度因子范围δkcna转化为镍基高温合金长裂纹扩展门槛值δkth-long，然后基于镍基高温合金长裂纹扩展门槛值δkth-long和裂纹源小平面应力强度因子范围δkfacet来计算镍基高温合金单轴状态下疲劳指标参数值fip；其中，镍基高温本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种镍基高温合金超高周疲劳寿命预测方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的镍基高温合金超高周疲劳寿命预测方法，其特征在于，所述镍基高温合金超高周疲劳寿命预测方法根据疲劳测试需求预设一试验温度，然后基于预设的试验温度分别开展镍基高温合金单轴拉伸试验和镍基高温合金超高周疲劳试验，以此获取同一试验温度下的单轴拉伸试验数据和超高周疲劳试验数据。
3.根据权利要求2所述的镍基高温合金超高周疲劳寿命预测方法，其特征在于，所述单轴拉伸试验数据包括镍基高温合金在单轴拉伸试验中的应变值以及对应的应力值；其中，所述镍基高温合金超高周疲劳寿命预测方法根据获取到的单轴拉伸试验应变值以及对应的应力值来绘制应力-应变曲线，然后根据绘制的应力-应变曲线计算得到镍基高温合金的弹性模量和屈服强度。
4.根据权利要求2所述的镍基高温合金超高周疲劳寿命预测方法，其特征在于，所述超高周疲劳试验数据包括失效循环数以及对应的应力幅值；其中，所述镍基高温合金超高周疲劳寿命预测方法将获取到的超高周疲劳试验中的失效循环数以及对应的应力幅值进行拟合，得到恒幅加载条件下的疲劳
5.根据权利要求4所述的镍基高温合金超高周疲劳寿命预测方法，其特征在于，所述镍基高温合金内部失效断口表面微观结构尺寸包括内部失效断口的裂纹源小平面尺寸和裂纹成核区尺寸；其中，所述镍基高温合金在超高周疲劳试验中出现金属疲劳后，通过电子显微镜扫描得到内部失效电子显微镜图，然后根据内部失效电子显微镜图分别测定所有内部失效断口的裂纹源小平面面积和裂纹成核区面积，并对获取到的裂纹源小平面面积和裂纹成核区面积开算术平方根，从而得到内部失效断口的裂纹源小平面特征尺寸和裂纹成核区特征尺寸。
6.根据权利要求5所述的镍基高温合金超高周疲劳寿命预测方法，其特征在于，所述镍基高温合金超高周疲劳寿命预测方法获取到内部失效断口的裂纹源小平面特征尺寸和裂纹成核区特征尺寸后，采用背散射电子显微镜来观测裂纹成核区的纵截面，从而得到裂纹成核区晶体的最大施密特因子值。
7.根据权利要求6所述的镍基高温合金超高周疲劳寿命预测方法，其特征在于，所述镍基高温合金超高周疲劳寿命预测方法测量得到裂纹成核区晶体的最大施密特因子值后，基于裂纹成核区晶体的最大施密特因子值以及步骤S3中的裂纹源小平面特征尺寸和裂纹成核区特征尺寸来分别计算裂纹源小平面应力强度因子范围ΔKfacet和裂纹成核区应力强度因子范围ΔKcna，计算公式如下：
8.根据权利要求7所述的镍基高温合金超高周疲劳寿命预测方法，其特征在于，所述镍基高温合金超高周疲劳寿命预测方计算得到裂纹成核区应力强度因子范围ΔKcna后，将裂纹成核区应力强度因子范围ΔKcna转化为镍基高温合金长裂纹扩展门槛值ΔKth-long，然后基于镍基高温合金长裂纹扩展门槛值ΔKth-long和裂纹源小平面应力强度因子范围ΔKfacet来计算镍基高温合金单轴状态下疲劳指标参数值FIP；其中，镍基高温合金单轴状态下疲劳指标参数值FIP计算公式如下：
9.根据权利要求8所述的镍基高温合金超高周疲劳寿命预测方法，其特征在于，所述镍基高温合金超高周疲劳寿命预测方法基于步骤S1中计算得到的镍基高温合金的弹性模量E以及步骤S4中测量得到的裂纹成核区晶体的最大施密特因子值μ来计算镍基高温合金的最大剪切应变范围Δγmax，公式如下：
10.根据权利要求1所述的镍基高温合金超高周疲劳寿命预测方法，其特征在于，所述镍基高温合金超高周疲劳寿命预测方法计算得到疲劳指标参数值FIP后，基于疲劳指标参数值FIP以及步骤S2中疲劳S-N曲线中的拟合参数A和B来求取超高周疲劳寿命弹性应变-寿命关系公式中的镍基高温合金超高周疲劳寿命Ni，从而得到镍基高温合金超高周疲劳寿命预测模型；其中，所述超高周疲劳寿命弹性应变-寿命关系公式如下：
11.根据权利要求10所述的镍基高温合金超高周疲劳寿命预测方法，其特征在于，所述镍基高温合金超高周疲劳寿命预测方法求解得到内部失效的镍基高温合金超高周疲劳寿命Ni计算公式后，将镍基高温合金超高周疲劳寿命Ni计算公式作为总疲劳寿命预测模型，通过总疲劳寿命预测模型来预测不同金属疲劳测试条件下镍基高温合金超高周疲劳寿命Ni；其中，所述镍基高温合金超高周疲劳寿命Ni计算公式如下：
12.一种存储有计算机程序代码的计算机可读介质，其特征在于，所述计算机程序代码在由处理器执行时实现如权利要求1-1任一项所述的方法。
13.一种镍基高温合金超高周疲劳寿命预测装置，其特征在于，包括：...
【技术特征摘要】
1.一种镍基高温合金超高周疲劳寿命预测方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的镍基高温合金超高周疲劳寿命预测方法，其特征在于，所述镍基高温合金超高周疲劳寿命预测方法根据疲劳测试需求预设一试验温度，然后基于预设的试验温度分别开展镍基高温合金单轴拉伸试验和镍基高温合金超高周疲劳试验，以此获取同一试验温度下的单轴拉伸试验数据和超高周疲劳试验数据。
3.根据权利要求2所述的镍基高温合金超高周疲劳寿命预测方法，其特征在于，所述单轴拉伸试验数据包括镍基高温合金在单轴拉伸试验中的应变值以及对应的应力值；其中，所述镍基高温合金超高周疲劳寿命预测方法根据获取到的单轴拉伸试验应变值以及对应的应力值来绘制应力-应变曲线，然后根据绘制的应力-应变曲线计算得到镍基高温合金的弹性模量和屈服强度。
4.根据权利要求2所述的镍基高温合金超高周疲劳寿命预测方法，其特征在于，所述超高周疲劳试验数据包括失效循环数以及对应的应力幅值；其中，所述镍基高温合金超高周疲劳寿命预测方法将获取到的超高周疲劳试验中的失效循环数以及对应的应力幅值进行拟合，得到恒幅加载条件下的疲劳s-n曲线，然后根据疲劳s-n曲线计算得到对应的拟合参数；其中，疲劳s-n曲线方程如下：
5.根据权利要求4所述的镍基高温合金超高周疲劳寿命预测方法，其特征在于，所述镍基高温合金内部失效断口表面微观结构尺寸包括内部失效断口的裂纹源小平面尺寸和裂纹成核区尺寸；其中，所述镍基高温合金在超高周疲劳试验中出现金属疲劳后，通过电子显微镜扫描得到内部失效电子显微镜图，然后根据内部失效电子显微镜图分别测定所有内部失效断口的裂纹源小平面面积和裂纹成核区面积，并对获取到的裂纹源小平面面积和裂纹成核区面积开算术平方根，从而得到内部失效断口的裂纹源小平面特征尺寸和裂纹成核区特征尺寸。
6.根据权利要求5所述的镍基高温合金超高周疲劳寿命预测方法，其特征在于，所述镍基高温合金超高周疲劳寿命预测方法获取到内部失效断口的裂纹源小平面特征尺寸和裂纹成核区特征尺寸后，采用背散射电子显微镜来观测裂纹成核区的纵截面，从而得到裂纹成核区晶体的最大施密特因子值。
7.根据权利要求6所述的镍基高温合金超高周疲劳寿命预测方法，其特征在于，所述镍基高温合金超高周疲劳寿命预测方法测量得到裂纹成核区晶体...
【专利技术属性】
技术研发人员：李小龙，朱明亮，陈蓉，轩福贞，
申请(专利权)人：华东理工大学，
类型：发明
国别省市：
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