[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

本發明公開了一種金屬材料基于低周疲勞的熱機械疲勞壽命預測方法，屬于材料科學與工程應用技術領域。該方法首先建立金屬材料熱機械疲勞滯回能與同材料恒溫(熱機疲勞上限溫度)低周疲勞滯回能定量關系，即兩種疲勞滯回能差值與機械應變為線性關系，然后通過能量法進行壽命預測。該方法可以通過少量低周疲勞和熱機械疲勞實驗測試，即可實現不同機械應變的熱機械疲勞壽命準確預測。該方法有效的降低了熱機械疲勞壽命預測所需實驗量，極大程度節約了時間、金錢和人力成本，且具有較高準確度，可以廣泛應用于燃機葉片、內燃機缸蓋和活塞等高溫合金和耐熱金屬材料的熱機械疲勞壽命預測。

技術領域

本發明涉及材料科學與工程應用技術領域，具體為一種金屬材料基于低周疲勞的熱機械疲勞壽命預測方法。

背景技術

金屬材料，特別是高溫合金和耐熱材料，廣泛應用于內燃機缸蓋、活塞、燃機葉片等高溫承力構件，在發動機工作過程中，金屬材料同時承受溫度載荷與機械載荷的變化。因此，易發生失效。根據失效分析，其最主要失效形式為熱機械疲勞。如不能合理進行熱機械疲勞壽命預測，會極大程度增加構件服役成本，降低構件服役安全性，并產生難以挽回的損傷。

目前，傳統的熱機械疲勞壽命預測，可以分為兩類：或基于大量的熱機械疲勞實驗數據的擬合法、雖然預測精度較高，但所需實驗量大，由于熱機械疲勞實驗過程復雜，不可預知性強，時間、人力、金錢成本均較高，因此這種方法在應用上有很大的局限性；或根據材料的物理和力學特性，通過復雜的理論推導進行測算，準確度相對較低，且計算復雜度極高，一些特殊參數獲取條件苛刻，不適宜工業推廣。因此，針對熱機械疲勞失效問題，急需一種相對簡單、準確的疲勞壽命預測方法。

發明內容

為了克服現有熱機械疲勞壽命預測方法存在的問題，本發明提供了一種金屬材料基于低周疲勞的熱機械疲勞壽命預測方法，通過建立金屬材料低周疲勞性能與熱機械疲勞性能的關系，結合能量模型，即可實現熱機械疲勞壽命的準確預測。該方法結合了基于大量實驗數據的擬合法準確性高的優點，同時大量的降低了實驗量需求，且無復雜的公式推導計算。

為了實現上述目的，本發明采用的技術方案是：

一種金屬材料基于低周疲勞的熱機械疲勞壽命預測方法，該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。該步驟中，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。若機械載荷與溫度變化周期相同時，若溫度峰值對應機械載荷峰值，則稱之為同相；反之，若溫度載荷谷值對應機械載荷峰值對應，則稱之為反相位。該方法對于同相位及反向位熱機械疲勞均適用。

(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數值。

(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(滯回環面積)，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。低周疲勞實驗溫度需選擇熱機械疲勞工況對應的最高溫度，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,且無需進行目標應變幅值條件下的低周疲勞測試。

(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；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。