[發明專利]用于預測金屬合金的特高循環疲勞特性的方法和系統

有效

• 申請號: 200910165061.2
• 申請日: 2009-07-30
• 公開（公告）號: CN101639872A
• 公開（公告）日: 2010-02-03
• 發明（設計）人: Q·王;B·R·小鮑威爾;P·E·瓊斯;C·-C·張
• 申請（專利權）人: 通用汽車環球科技運作公司
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司
• 代理人: 代易寧;譚祐祥

技術領域

本發明總體上涉及用于預測金屬合金疲勞壽命的方法和系統，并且 更具體地，涉及利用概率模型和高循環疲勞行為來預測鋁及相關金屬的 特高循環疲勞壽命。再更具體地，本發明涉及預測鑄鋁合金物體在特高 循環疲勞水平下的疲勞壽命。

背景技術

汽車設計中對改善燃料效率的增長的要求包括強調通過在車輛構 件(包括在動力系和相關構件部分中)的零件制造中使用輕質材料來減 小構件質量。總體而言，鑄造輕質非鐵合金，特別是鋁合金，正在被越 來越多地用在、但不限于，發動機缸體、汽缸蓋、活塞、進氣歧管、支 架、殼體、車輪、底盤和懸架系統中。除了使這些構件更輕，鑄造和相 關可擴展工藝的使用也幫助保持低的生產成本。

由于鑄鋁和其它輕質金屬合金在車輛構件中的很多應用涉及到非 常高的循環(通常，多于10⁸次循環，并且經常涉及10⁹至10¹¹次之間循環) 的加載，故合金的疲勞特性，尤其是特高循環疲勞(VHCF)特性，是 這些結構性應用的關鍵設計標準。鑄鋁構件的疲勞特性極大地取決于在 鑄造期間所產生的不連續處(其經常萌生疲勞裂紋)，例如空隙和相關 孔隙，或氧化膜等。此外，在鑄件的給定部分中具有鑄造不連續處的概 率取決于很多因素，包括熔融物質量、合金成分、鑄件幾何結構和固化 條件。由于這些因素，以及材料的固有非均勻性，可以理解，疲勞的本 質是概率性的，在這種情況下，對某一載荷范圍上所期望行為的預測比 試圖設立一個精確的、可再現的疲勞值更有意義。

盡管如此，存在提供對疲勞行為的良好指示的因素。例如，裂紋容 易從位于構件自由表面附近或構件自由表面處且遭受循環加載的大的 不連續處開始，這樣的開裂的尺寸對于確定構件的疲勞壽命是重要的。 一般而言，由此產生的對于給定次數的循環至破壞而言的疲勞強度，或 對于給定載荷而言的疲勞壽命，與萌生疲勞裂紋的不連續處的尺寸成反 比。

疲勞的一種具體形式，即公知為高循環疲勞(HCF)，涉及到很多 次地重復施加循環應力。這種“很多次”最普遍提及的值為大約上千萬 (10⁷)。很多結構材料(例如，鐵基合金或非鐵基合金)在HCF是重要 性的構件和應用中使用的合適性通常由熟知的手段來衡量，例如從著名 的S-N曲線中的數據來衡量，在圖1和圖2A中示出了S-N曲線的實例，其 中，材料能經受的全交變應力循環的次數隨著應力水平的提高而減少。 特別參照圖1，很多材料(例如，鐵基合金)的疲勞強度和相應的S-N曲 線在一定的循環次數以上在公知為耐久極限的應力處趨于變平。一般而 言，耐久極限是在不發生破壞的情況下向材料施加無限次這種全交變循 環的最大應力。

不幸的是，鋁基合金(也在圖1中示出)卻未顯示出清晰限定的耐 久極限，而是對于數百萬到數萬億次循環的疲勞壽命而言呈現出繼續的 更低水平的容許循環應力。認為這樣的合金通常不具有耐久極限，或即 使具有耐久極限，該耐久極限不是普遍可辨別出或者容易量化的。在任 一種情況下，在超出HCF極限或與特高循環疲勞(VHCF，通常從大約 10⁸到10¹¹，或更多次循環)相關聯的極限的情況下，很難確定鑄鋁合金 的合適的設計強度(在循環加載下)和相關的材料特性。由于由這樣的 合金制成的構件的長期性質對于它們的成功十分關鍵且被認為是這些 構件在結構應用中的重要設計標準，因此，期望有另外的方法以大致類 似于預測鐵基合金疲勞行為所使用的方法來確定鑄鋁合金的強度和相 關性質。