[发明专利]一种考虑不同减薄率的超塑性成形件疲劳寿命预测方法

说明书

本发明提供了一种考虑不同减薄率的超塑性成形件疲劳寿命预测方法，在传统的Basquin模型基础上引入Hall‑Petch公式，对其疲劳强度系数和疲劳强度指数两个参数进行修正，以平均晶粒直径d作为变量，表征不同减薄率对金属材料疲劳性能的影响，从而建立新的疲劳寿命预测模型。同时，采用数值模拟方法，对不同减薄率下金属材料超塑性成形件的晶粒度进行模拟计算，将晶粒度计算结果代入疲劳寿命预测模型，从而建立金属材料超塑性成形件的疲劳寿命预测方法。该寿命预测方法适用于金属材料在任意减薄率下超塑性成形后的疲劳寿命预测，具有更好的工程应用价值。

技术领域

本发明涉及金属材料疲劳寿命预测领域，具体是一种考虑不同减薄率的超塑性成形件疲劳寿命预测方法。

背景技术

超塑性作为材料科学领域的一个研究分支，其目的是使材料获得极大的塑性变形能力。经过多年的发展和研究，钛、铝、镁等合金的超塑性成形在航空航天等尖端领域获得广泛地应用。各国航空工业日渐重视超塑性成形技术，将其誉为现代航空生产的开拓性技术。超塑性成形不仅具有改善航空零部件的结构性能、改变传统结构的设计概念，提高结构的完整性等优点，而且还能够缩短飞机制造的周期，降低制造成本，减轻零部件的重量。

随着金属材料超塑性成形结构件工程应用的日益广泛，其强度评估也受到了研究者更多的关注。近年来，钛合金超塑性构件在航空发动机承力构件中也得到应用，如宽弦空心风扇叶片，这也对钛合金材料超塑性变形后的疲劳性能评估提出了更为苛刻的要求。超塑性成形的研究历史尚短，仍然属于新兴工艺，对各种钛合金的各种成形工艺及其力学性能影响等还在不断地研究。开展超塑性成形对钛合金疲劳性能影响规律研究具有重要的理论意义和工程使用价值。

金属材料在超塑性成形时，一方面会发生较大的塑性变形，另一方面还需要经历一个低温-高温-低温的温度循环过程，因此超塑性成形后材料的疲劳性能与母材相比，不可避免的会发生变化。目前，关于超塑性成形对材料力学性能的影响已开展一些工作，但主要侧重于变形对力学性能的影响机理研究或定性的分析其影响规律，而定量描述超塑性变形率与材料力学性能尤其是疲劳性能之间关系方面的研究鲜有报道。本发明正是在这一背景下，提出了一种新的方法用于预测金属材料在不同减薄率下超塑性变形后的疲劳寿命。

发明内容

本发明为了解决现有技术的问题，提供了一种考虑不同减薄率的超塑性成形件疲劳寿命预测方法，能较为精确的评估材料经任意减薄率下超塑性变形后的疲劳寿命。

本发明采用如下技术方案：

基于材料的微观组织决定其力学性能的思想，在传统的Basquin模型基础上引入Hall-Petch公式，对其疲劳强度系数和疲劳强度指数两个参数进行修正，使用平均晶粒直径d作为变量，表征不同减薄率对金属材料疲劳性能的影响，从而建立疲劳寿命预测模型。

对于不同减薄率下超塑性成形后的金属材料的S-N曲线时采用Basquin公式描述：

σ_a＝σ'_f(2N_f)^b；

式中：σ'_f为疲劳强度系数，b为疲劳强度指数，二者均是与材料有关的常数,σ_a为应力幅值。

在材料力学性能研究中，常用Hall-Petch公式表示晶粒尺寸与屈服强度之间的关系，其公式如下：

式中c是位错在基体运动中的总阻力，k_y为钉扎常数，d为平均晶粒直径。其中，c与k_y均可视为与材料本身有关的常数。