[發明專利]一種金屬材料基于低周疲勞的熱機械疲勞壽命預測方法

有效

• 申請號: 201810020834.7
• 申請日: 2018-01-10
• 公開（公告）號: CN108256192B
• 公開（公告）日: 2021-06-01
• 發明（設計）人: 張孟梟;龐建超;張哲峰;王猛;邱宇
• 申請（專利權）人: 中國科學院金屬研究所
• 主分類號: G06F30/17
• 分類號: G06F30/17;G06F30/20;G06F119/04
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標代理有限公司 21002
• 代理人: 于曉波

1.一種金屬材料基于低周疲勞的熱機械疲勞壽命預測方法，其特征在于：該預測方法具體包括如下步驟：

(1)分析服役構件的服役工況，確定金屬材料熱機械疲勞的溫度和機械應變范圍，其中熱機械疲勞載荷具備的特征為：機械載荷隨時間周期性變化，溫度隨時間周期性變化；熱機械疲勞實驗溫度范圍及機械應變范圍需根據實際工況條件選取，且機械載荷變化周期與溫度載荷變化周期相同；

(2)確定目標應變幅值，即確定進行熱機械疲勞壽命預測的熱應變和機械應變幅范圍，熱應變范圍是通過溫度變化獲得；

(3)選擇金屬材料進行恒溫低周疲勞性能測試，獲得低周疲勞中值滯回能W_a,LCF，并建立低周疲勞中值滯回能W_a,LCF與機械應變幅ε_mech之間的定量關系；

(4)選擇金屬材料進行熱機械疲勞性能測試，獲得熱機械中值滯回能W_a,TMF；

(5)將步驟(4)中的熱機械中值滯回能W_a,TMF帶入能量法公式進行擬合獲得金屬材料參數β和W₀；所述能量法公式是指熱機械中值滯回能W_a,TMF與熱機械疲勞壽命N_f的關系，具體如式(1)所示；

公式(1)中，β值為將外界作用程度轉化成損傷材料的能量的能力，W₀為單次變形造成材料失效所作的塑性功；

(6)根據步驟(3)與步驟(4)測試結果，建立熱機械疲勞、低周疲勞滯回能與機械應變幅ε_meth的定量關系，并獲得相關材料參數；

(7)通過步驟(6)建立的定量關系和步驟(3)中的機械應變幅值下的低周疲勞中值滯回能計算步驟(2)中所確定目標應變幅值下熱機械疲勞中值滯回能；如果該目標應變幅值下的低周疲勞沒有進行實驗，則通過步驟(3)中低周疲勞中值滯回能與機械應變幅的定量關系進行計算獲得；

(8)將步驟(7)計算所得目標應變幅下熱機械疲勞中值滯回能帶入公式(1)中，計算所得熱機械疲勞壽命，即為最終目標壽命。

2.根據權利要求1所述的金屬材料基于低周疲勞的熱機械疲勞壽命預測方法，其特征在于：步驟(3)中，所述低周疲勞性能測試的實驗溫度需選擇熱機械疲勞工況對應的最高溫度。

3.根據權利要求1所述的金屬材料基于低周疲勞的熱機械疲勞壽命預測方法，其特征在于：步驟(3)中，低周疲勞實驗需選擇至少兩個不同機械應變幅進行實驗，每個應變幅至少進行一個有效數據的測試。

4.根據權利要求1所述的金屬材料基于低周疲勞的熱機械疲勞壽命預測方法，其特征在于：步驟(3)中，低周疲勞中值滯回能W_a,LCF與機械應變幅之間的定量關系對于鑄鐵或鑄鋁材料表達為線性關系，該線性關系如公式(2)，式中B和a為材料參數，對于125～400℃低周疲勞關系中：B＝-37.58，a＝300.06；對于125～500℃低周疲勞關系中：B＝-53.12，a＝353.37；

W_a,LCF＝B+a·ε_mech (2)。

5.根據權利要求1所述的金屬材料基于低周疲勞的熱機械疲勞壽命預測方法，其特征在于：步驟(4)中，熱機械疲勞實驗需選擇至少兩個不同機械應變幅進行實驗，所選應變幅應與步驟(3)中所選相同；每個應變幅至少進行一個有效數據的測試；如果需要進行材料或構件可靠性分析，按照相關要求進行系統研究。

6.根據權利要求1所述的金屬材料基于低周疲勞的熱機械疲勞壽命預測方法，其特征在于：步驟(6)中，熱機械疲勞、低周疲勞滯回能與機械應變幅ε_meth的定量關系，對于鑄鐵或鑄鋁材料，是熱機械疲勞與低周疲勞滯回能差值ΔW_a與機械應變幅_meth的線性關系，如公式(3)；該線性關系中材料參數為A和K，A為韌度敏感性系數，K為應變敏感性系數；

ΔW_a＝W_a,TMF-W_a,LCF＝A+K·ε_mech (3)；

公式(3)可以轉變形式為公式(4)；

W_a,TMF＝A+Kε_mech+W_a,LCF (4)。