[发明专利]一种金属材料不同温度条件下高周疲劳性能的预测方法

说明书

本发明公开了一种金属材料不同温度条件下高周疲劳性能的预测方法，属于材料科学与工程应用技术领域。该方法首先在不同温度下进行高周疲劳测试，获得S‑N曲线；通过Basquin关系拟合建立疲劳强度系数σ′_f、疲劳强度指数b分别与温度T的关系，并获得相关参数；将建立的关系代入Basquin方程建立应力幅σ_a、疲劳寿命N_f和温度三者之间的定量关系，进而预测金属材料在不同温度下的高周疲劳性能。该方法可以通过少量的高周疲劳测试，即可实现连续温度下S‑N曲线和疲劳强度的高效、准确预测。

技术领域

本发明涉及金属材料高周疲劳性能测试技术领域，具体涉及一种金属材料不同温度条件下高周疲劳性能的预测方法。

背景技术

汽车、火车、轮船以及飞机是现代运输业的主要工具。其中，汽车因其具有灵活、快捷方便等特点成为日常运输的首选。目前，汽车运输行业面临着运输需求量迅速增长、化石能源日益枯竭以及燃油价格上涨等问题。提高内燃机的单位体积功率或单位质量功率，即功率密度是解决这个问题的一个有效途径，作为汽车的心脏，目前内燃机研究的重点在于提高功率密度以及可靠性、并且降低排放、提高经济性。在内燃机工作时，燃烧室各组件例如缸盖长期在高温条件和循环载荷下运行，缸盖鼻梁区不可避免经受高周疲劳损伤。

由于疲劳测试特别是高温疲劳测试费时、费力、费钱，在构件设计制备中如不能采用全面准确的疲劳数据或疲劳性能预测本构关系，会极大程度增加构件服役成本，降低构件服役安全性，并产生难以挽回的损失。因此，针对不同温度的材料高周疲劳性能，急需一种相对简单、准确的预测方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种金属材料不同温度条件下高周疲劳性能的预测方法，该方法通过建立疲劳强度系数和指数与温度关系，代入Basquin关系，提供了一种简便的寿命和强度预测模型。该预测方法相对简单、准确、成本低廉。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种金属材料不同温度条件下高周疲劳性能的预测方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：

(1)分析金属材料构件的典型服役工况和不同部位的服役温度，确定材料高周疲劳的几种(至少两个)典型服役温度，；

(2)选择至少两种不同的典型服役温度，分别进行每种温度下的高周疲劳性能测试，获得不同温度下的应力(σ_a)-寿命(N_f)关系(S-N曲线)和疲劳强度；

(3)通过Basquin公式拟合，获得不同温度条件下的疲劳强度系数σ′_f和疲劳强度指数b；

(4)对步骤(3)获得的不同温度下疲劳强度系数σ′_f数据进行拟合，建立疲劳强度系数σ′_f与温度T之间的定量关系；对步骤(3)获得的不同温度下疲劳强度指数b数据进行拟合，建立疲劳强度指数b与温度T之间的定量关系；

(5)把步骤(4)中获得的以T为变量的疲劳强度系数σ′_f表达式和疲劳强度指数b表达式代入Basquin方程，建立应力幅σ_a、疲劳寿命N_f和温度T三者之间的定量关系，进而对其他服役温度下的S-N曲线和疲劳强度进行预测。

上述步骤(1)中，高周疲劳试验温度根据构件的典型服役工况下不同部位的温度选取，且在试验过程中温度随服役时间恒定不变。

上述步骤(2)中，高周疲劳试验一般采用高频疲劳试验机，也可根据材料特性和服役工况选择中低频疲劳试验机，高温加热方法一般采用电阻炉，疲劳强度采用升降法进行计算。

上述步骤(3)中，每个温度的疲劳强度系数σ′_f和疲劳强度指数b基于公式(1)所示的Basquin方程通过Origin或Excel等软件进行拟合直接获得；