[發明專利]一種金屬材料的高周疲勞全壽命預測方法

在審

• 申請號: 202111168022.5
• 申請日: 2021-09-30
• 公開（公告）號: CN114216803A
• 公開（公告）日: 2022-03-22
• 發明（設計）人: 張麗;劉堯;李旭東;焦澤輝;武亮亮
• 申請（專利權）人: 中國航發北京航空材料研究院
• 主分類號: G01N3/32
• 分類號: G01N3/32
• 代理公司: 中國航空專利中心 11008
• 代理人: 陳宏林

本發明是一種金屬材料的高周疲勞全壽命預測方法，該方法的步驟為：首先采用基于非線性位錯偶極子機理的微觀結構模型對金屬材料疲勞萌生壽命進行預測；再依據公式計算裂紋初始尺寸；然后對待測金屬材料開展不同應力比下的小裂紋和長裂紋疲勞裂紋擴展試驗，并采用裂紋閉合模型對獲得的裂紋擴展數據進行有效應力強度因子的計算，進而獲得小裂紋和長裂紋擴展速率與有效應力強度因子范圍的關系式，由于長裂紋和小裂紋的裂紋擴展速率通常在近門檻值附近存在較大差異，兩組數據放在一起呈現雙線性的特征，長短裂紋典型擴展曲線相交于一點，定義為“膝交點”，該點對應的有效應力強度因子范圍為ΔK^*，根據公式計算不同應力下的a^*；再根據材料的斷裂韌度K_IC以及最大應力σ_max，通過公式計算該應力條件下的臨界裂紋尺寸a_f；最后，對材料進行疲勞全壽命預測。本發明綜合考慮金屬材料微觀結構及小裂紋行為對疲勞壽命的影響，提供了更精確的金屬材料高周疲勞全壽命預測方法。

技術領域

本發明涉及一種金屬材料的高周疲勞全壽命預測方法，屬于材料科學與工程應用領域。

背景技術

材料和構件疲勞斷裂前包括兩個階段：裂紋起始階段和裂紋擴展階段，相應地疲勞壽命也分為裂紋萌生壽命和裂紋擴展壽命。然而裂紋萌生與擴展之間的分界線是很難確定的，這也是建立疲勞壽命預測模型的一個主要困難。研究疲勞微觀機制的材料科學家把滑移帶和晶界的微米尺度的裂紋形核，以及疲勞試件表面變粗糙視為疲勞破壞的裂紋起始階段。另一方面，從事實際工作的工程師傾向于把無損檢測裂紋設備的分辨率極限與疲勞裂紋形核聯系起來，在設計中把它當做裂紋的起始尺寸。針對疲勞裂紋擴展的應用也有不同的觀點，目前對材料長裂紋擴展特性的研究，以及基于長裂紋擴展性能進行預測的方法已經非常成熟，但隨著對材料小裂紋的研究日益深入，在越來越多的金屬材料中發現了小裂紋效應的存在，即小裂紋在低于長裂紋門檻值的情況下仍能夠擴展，并且在相同的名義應力強度因子時，小裂紋的擴展速率高于長裂紋。

大量研究表明渦輪發動機材料疲勞壽命具有很大的差異性，這說明微觀結構性能對疲勞壽命有較大影響，而小裂紋擴展行為的獨特性也要求在疲勞壽命預測中必須將其考慮進去。

目前，在損傷容限設計方面，針對試驗獲得的小裂紋擴展數據，通常用來驗證小裂紋效應的存在與否，在壽命預測方面的應用通常采用裂紋閉合模型進行處理，獲得有效應力強度因子與裂紋擴展速率的關系，再將其與長裂紋擴展數據進行對比，然后對長裂紋擴展速率或長裂紋門檻值進行修正，或者采用小裂紋擴展行為對疲勞全壽命進行預測。前者以長裂紋擴展為主，且長短裂紋之間沒有明確的分界點，小裂紋擴展數據或提供了長裂紋門檻值的修正，或對長裂紋擴展速率表達式進行了修正，對小裂紋擴展速率的應用不充分；后者則認為疲勞壽命主要消耗在小裂紋擴展階段，而忽略了長裂紋擴展階段。因此，兩種方法均有一定的局限性，均未能更真實地反映疲勞裂紋擴展的過程。

發明內容

本發明針對上述現有技術狀況而設計提供了一種金屬材料的疲勞全壽命預測方法，本發明方法通過考慮材料微觀結構對萌生壽命的影響，并將疲勞裂紋從微裂紋到斷裂的過程分為小裂紋擴展階段和長裂紋擴展階段兩部分，并通過對長短裂紋數據的分析確定了兩個階段具有物理意義的“膝交點”，給出了“膝交點”處裂紋長度的計算方法，以提出一種更精確的高周疲勞全壽命預測方法。

本發明的目的是通過以下技術方案來實現的：

該種金屬材料的高周疲勞全壽命預測方法的步驟如下：

步驟一、根據公式(1)計算裂紋萌生壽命N_i；

式中：Δσ為應力范圍，Δσ_e為疲勞極限，a_i為初始裂紋尺寸，依據公式(2)計算獲得，μ為剪切模量，M為泰勒常數，λ為常數(0.005)，h為滑移帶寬度，D為晶粒尺寸，ν為泊松比，α為依賴于滑移角度和層錯能的常數，取值在0＜α≤1范圍內；