[發明專利]一種適用于攪拌摩擦焊接頭的變幅多級加載疲勞壽命預測方法

在審

• 申請號: 202010520521.5
• 申請日: 2020-06-09
• 公開（公告）號: CN111537368A
• 公開（公告）日: 2020-08-14
• 發明（設計）人: 孫國芹;韓文彪;劉鶴
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: G01N3/32
• 分類號: G01N3/32;G01N3/06;G06F30/17;G06F30/20
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 張立改

1.一種適用于攪拌摩擦焊接頭的變幅多級加載疲勞壽命預測方法，其特征在于，其步驟包括如下：

步驟1)：分別制備四批板狀試樣，試樣的中間具有最小截面積；四批試樣中間最小橫截面分別對應NZ、TMAZ、HAZ、BM，每批包括多個試樣，對每個試樣進行恒幅加載實驗，在實驗過程中每隔一定的循環次數停機，停機后對疲勞小裂紋進行貼膜復型，之后利用金相顯微鏡觀察并記錄裂紋的長度與擴展速率，最終得到不同應力加載水平下的斷裂在接頭各個區域的裂紋擴展數據；

步驟2)：為獲得材料常數C、m，選取有效應力強度因子ΔK_eff的計算公式；材料常數的獲取需要基于有效應力強度因子ΔK_eff的計算公式，利用步驟1)所得的裂紋擴展數據畫出da/dN-ΔK_eff曲線，接頭各區不同加載水平下的da/dN-ΔK_eff曲線會聚合為同一條基線，通過雙對數坐標下的擬合，得到C、m。

其中da/dN-ΔK_eff曲線的獲得：將N_i定義為循環數的序號，對于裂紋擴展速率模型，無論什么形式的加載，循環數為N_i的有效應力強度因子范圍ΔK_eff,i由下式求得：

ΔK_eff,i＝K_max,i-M·K_op,i (2)

式中K_max,i、K_op,i分別為循環數為N_i時的最大應力強度因子、張開應力強度因子，計算方法如下式：

其中Y為幾何修正因子，采用Raju和Newman提出的計算方法進行計算；a_i為循環數為N_i時的裂紋長度；σ_max為外加最大應力；σ_op為裂紋張開應力，通過Newman張開應力計算公式得到。

M為修正因子，通過以下公式進行計算：

式中g為攪拌摩擦焊接頭對應區域顯微硬度的變化梯度，其計算方法如下：

其中|HV_k-HV_k-1|為第k-1個測量點與第k個測量點之間的顯微硬度值偏差；l為兩相鄰測量取樣點間距；n為被測試件對應區域測顯微硬度時的取樣點個數，測量顯微硬度取樣點個數需大于等于3個；

HV_ave為攪拌摩擦焊接頭對應區域平均顯微硬度值，HV_0,ave為母材區域平均顯微硬度值，其計算方法為：“對應區域所有測量點顯微硬度值的總和”與“測量取樣點的個數n”的比值；

d為攪拌摩擦焊接頭對應區域平均晶粒尺寸，d₀為母材區域平均晶粒尺寸，其確定方法為：由母材及接頭各區的EBSD實驗數據得到。

步驟3)：利用步驟1)所得的裂紋擴展數據并結合步驟2)畫出da/dN-ΔK_eff基線，通過雙對數坐標下擬合得到C、m；

步驟4)：攪拌摩擦焊接頭各區初始裂紋尺寸a₀和臨界斷裂尺寸a_c的確定；

攪拌摩擦焊接頭各區微結構尺寸不同，對焊接接頭各區進行微觀測試，將對應區域內強化顆粒及凹坑等缺陷的平均尺寸作為該區域對應的初始裂紋尺寸a₀，各區的初始裂紋尺寸分別表示為：a_NZ,0,a_HAZ,0,a_TMAZ,0,a_BM,0；

臨界斷裂尺寸a_c通過斷裂韌性K_IC的定義得出，公式如下：

其中K_IC為材料斷裂韌性，σ_max為外加最大應力。

通過式6)計算裂紋臨界斷裂尺寸時，若計算結果大于板厚，那么取板厚為臨界斷裂尺寸的值。各區的臨界斷裂尺寸分別表示為：a_NZ,c,a_HAZ,c,a_TMAZ,c,a_BM,c；

步驟5)：根據步驟1)中不同加載水平下接頭不同區域的恒幅疲勞裂紋擴展數據，確定接頭各區域小裂紋與長裂紋擴展的臨界尺寸a_l，各區小裂紋與長裂紋擴展的臨界尺寸分別表示為：a_NZ,l,a_HAZ,l,a_TMAZ,l,a_BM,l；

步驟6)：利用ABAQUS模擬軟件獲得待測試疲勞試樣在不同加載水平下的薄弱區域；基于國標板狀疲勞試樣形狀及尺寸對攪拌摩擦焊接頭疲勞試件進行建模，通過四點關聯法，利用攪拌摩擦焊各區的微拉伸應力應變數據計算出所需的疲勞參數，對疲勞試件模型進行不同載荷水平下的疲勞加載，得出不同加載水平下的應力最大點所在區域，將此區域作為此加載水平下的薄弱區域；

步驟7)：輸入變幅多級載荷序列，開始循環，計算循環數為N_i時所有裂紋的尺寸。判斷待測疲勞試件當前載荷水平所對應的薄弱區域，選取對應薄弱區域的初始裂紋尺寸、臨界斷裂尺寸及臨界擴展尺寸等參數，計算當前載荷水平下所對應薄弱區域的裂紋在循環數為i時的裂紋擴展增量：

Δa_i＝C(ΔK_eff,i)^m (7)

其中公式(7)中的C、m對應的為步驟(3)得到的C、m。

循環數為i時的裂紋尺寸通過下述公式計算：

a_i＝a_i-1+Δa_i (8)

其中Δa_i為循環數為N_i時的裂紋擴展增量，a_i為循環數為N_i時的裂紋長度。

步驟8)：判斷當前載荷水平是否發生變化，若發生變化，由步驟6)模擬結果判斷當前載荷水平所對應的薄弱區域是否發生變化，若載荷水平變化前后的薄弱區域不同，薄弱區域變化前的薄弱區域記為舊薄弱區域，薄弱區域變化后的薄弱區域記為新薄弱區域，執行兩步操作，第一，在新薄弱區域萌生并擴展新的裂紋，計算各循環下新薄弱區域裂紋的擴展增量和尺寸；第二，判斷前一級載荷水平下萌生并擴展的裂紋尺寸是否達到對應舊薄弱區域小裂紋與長裂紋擴展的臨界尺寸a_l，若達到，此裂紋繼續擴展，繼續計算其各循環的裂紋擴展增量和尺寸；若未達到，此裂紋停止擴展；

若載荷水平未發生變化或者載荷水平發生變化后，薄弱區域并未發生變化，則繼續計算此薄弱區域已有裂紋下一循環的擴展增量；

步驟9)：判斷各裂紋尺寸是否達到對應薄弱區域的裂紋臨界斷裂尺寸a_c，若任意一條裂紋尺寸達到此值，定義為發生疲勞失效，程序結束；否則返回步驟7)，繼續計算下一循環所有裂紋的擴展增量及尺寸。