[发明专利]一种基于疲劳、氧化交互作用的热成形模具使用寿命预测方法

权利要求书

1.一种基于疲劳、氧化交互作用的热成形模具使用寿命预测方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：在热作模成形钛合金件的工况下对热成形模具进行疲劳试验，首先判断试验是否为机械循环和温度循环叠加构成，即是否为热机械疲劳；微观组织显示疲劳裂纹是否穿晶萌生、沿晶扩展；若不是，该预测方法不适用；

步骤2：对失效构件进行微观分析，是否有氧化物裂纹，即判断是否为氧化疲劳导致失效，若不是，该预测方法不适用；

步骤3：若既是热机械疲劳，又是氧化疲劳，即失效是由疲劳、氧化交互作用所导致，则观察热成形模具表面生成的氧化物的微观组织成分，确定氧化物的主要成分，测出氧化物和热成形模具的基体材料的相关参数；

步骤4：根据氧化物的参数和基体材料的参数，建立氧化层应力模型；

步骤5：建立由氧化层断裂而导致的裂纹扩展速率模型；

步骤6：建立疲劳氧化相互作用导致的总损伤率模型；

步骤7：用临界裂纹长度将总损伤率模型无量纲化，得到热成形模具使用寿命预测模型；

步骤8：根据热成形模具使用寿命预测模型得到疲劳旋转周数，计算出热机械疲劳期间总应变，绘制应变-疲劳曲线。

2.根据权利要求1所述的一种基于疲劳、氧化交互作用的热成形模具使用寿命预测方法，其特征在于，步骤4中，建立氧化层应力模型的步骤包括：

建立变形兼容性方程：

建立力平衡方程：

σ_OXf+(1-f)σ_S＝σ (2)

由式(1)和(2)得：

其中，σ_OX氧化层的应力，E_OX是氧化物的弹性模量，α_OX是氧化物的热膨胀系数，σ_S是基体应力，E_S是基体材料的弹性模量，α_S是基体材料的热膨胀系数，f是氧化物的体积百分比，T₀是氧化物形成时零应力的参考温度，T是当前温度，σ为冲头压力与板料接触面积的比值。

3.根据权利要求1所述的一种基于疲劳、氧化交互作用的热成形模具使用寿命预测方法，其特征在于，步骤5中，建立裂纹扩展速率模型的步骤包括：

氧化物裂纹的生长服从抛物线关系：

由氧化层断裂而导致的裂纹扩展速率可表示如下：

其中，h_c是临界层厚度，t_c是断裂时间，a为裂纹的长度，t为裂纹生长时间，k为抛物线速率系数。

4.根据权利要求3所述的一种基于疲劳、氧化交互作用的热成形模具使用寿命预测方法，其特征在于，步骤6中，疲劳氧化相互作用导致总损伤率模型为：

其中，为疲劳损伤率，为氧化损伤率，N为疲劳循环周数。

5.根据权利要求4所述的一种基于疲劳、氧化交互作用的热成形模具使用寿命预测方法，其特征在于，步骤7中，用临界裂纹长度a_cr将式(6)无量纲化，则式(6)改写为：

其中，a_cr被定义为：

K_IC是材料的断裂韧性，Y是试件的形状因子，σ_c为在临界状态下所对应的平均应力，即断裂应力或者称为裂纹体断裂强度。