[發明專利]氮化硅結合碳化硅耐火陶瓷的疲勞壽命預測方法

有效

• 申請號: 201710729024.4
• 申請日: 2017-08-23
• 公開（公告）號: CN107449894B
• 公開（公告）日: 2019-08-20
• 發明（設計）人: 楊自春;陳國兵;曹躍云;袁虎;袁碩偉
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍海軍工程大學
• 主分類號: G01N33/38
• 分類號: G01N33/38
• 代理公司: 武漢開元知識產權代理有限公司 42104
• 代理人: 馬輝

1.一種氮化硅結合碳化硅耐火陶瓷的疲勞壽命預測方法，其特征在于，包括如下步驟：

步驟1：首先結合氮化硅結合碳化硅耐火陶瓷運用的工程實際及其自身的細觀函數關系，從宏觀和細觀方面探究氮化硅結合碳化硅耐火陶瓷在缺陷處的應力集中和損傷累積情況，將氮化硅結合碳化硅耐火陶瓷三相復合系統中的碳化硅顆粒相與界面相相結合生成復合球模型，用損傷參數D與界面相參數q可將其在穩態溫度下的受拉損傷演化過程中的細觀函數關系作表示如下：

步驟2：綜合裂紋生成的宏觀和細觀條件，充分考慮孔隙、缺口缺陷處所受的平均載荷、載荷梯度、疲勞極限的不確定性與尺寸效應的影響，結合模糊理論和Miner法則建立模糊Miner模型來表述材料的裂紋形成壽命：

式中，N_f表示材料的裂紋形成壽命，即導致材料宏觀裂紋生成的加載應力的循環次數；N₁表示導致材料失效的最大加載應力的循環次數；N₀表示導致材料微裂紋產生的加載應力的循環次數；N_i表示作用于材料的第i級加載應力的循環次數；σ_i即為第i級加載應力；σ_i(M)為第i級加載應力中最大的外界載荷應力值；σ_-1為材料的疲勞極限；(σ_-1)_i表示在第i級加載應力作用下材料的疲勞極限；α_i表示第i級加載應力的載荷強化系數；表示第i級加載應力的模糊隸屬函數，用正態分布與Weibull分布來進行表示，其中為每次應力循環下材料損傷參數的模糊集；m、表示低幅載荷對材料裂紋成核壽命的強化系數；d為Miner法則下材料的裂紋形成壽命的預測直線斜率；m表示模糊Miner模型的作用系數；

步驟3：根據外加載荷的頻率和平均應力影響因素，將改進后的Forman公式代入步驟2中的模糊Miner模型，可得到材料的裂紋擴展壽命N_e的預測方法如下：

式中，常數k與材料自身性質及其應用的實際環境工況有關；E為材料的彈性模量；f為疲勞載荷的頻率；R為應力比，在此作為平均應力的表征；ΔK為應力強度因子幅值，是材料的應力幅值的表征；a為裂紋半長；N為循環次數；ΔK_th是引發裂紋擴展的門檻值；K_1c為材料的斷裂韌性；p_i表示第i級載荷在總循環次數中出現的概率；a_c表示臨界裂紋半長，a₀表示初始裂紋半長，d為Miner法則下材料的裂紋形成壽命的預測直線斜率；

將外加載荷的相互作用及其加載順序對裂紋擴展壽命的影響通過損傷參數D的不連續變化來加以表示，即：

式中，Δa_i表示第i級載荷導致的裂紋擴展增量，Σ表示求和；系數A_i和B_i可確定裂紋擴展過程中的損傷累積范圍，它們可通過如下所示的關于a₀與a_c的多組函數關系式加以求得：

步驟4：將氮化硅結合碳化硅耐火陶瓷的裂紋形成壽命和裂紋擴展壽命結合后，氮化硅結合碳化硅耐火陶瓷的疲勞壽命預測由下式確定：

其中，N_l和N_h分別代表最小和最大加載應力下氮化硅結合碳化硅耐火陶瓷的疲勞壽命，表示熱應力衰減系數。

2.根據權利要求1所述的氮化硅結合碳化硅耐火陶瓷的疲勞壽命預測方法，其特征在于，所述步驟3中，改進后的Forman公式為

式中：a為裂紋半長；N為循環次數；常數k與材料自身性質及其應用的實際環境工況有關；f為疲勞載荷的頻率；R為應力比，在此作為平均應力的表征；E為材料的彈性模量；ΔK為應力強度因子幅值，是材料的應力幅值的表征；ΔK_th是引發裂紋擴展的門檻值；K_1c為材料的斷裂韌性。