[发明专利]基于加工表面层高周疲劳的机械构件寿命预测方法

说明书

一种基于加工表面层高周疲劳的机械构件寿命预测方法，基于微裂纹扩展理论，构建关联几何‑组织‑力学完整性指标的加工表面层疲劳寿命预测模型以及寿命损失模型；通过制作光滑试件并实验后进行加工表面层疲劳寿命预测模型待定参数的标定，制作特定加工工艺条件下获得的疲劳试件并实验后进行寿命损失模型待定参数的标定，之后，通过检测机械构件加工表面层的几何、组织和力学完整性指标并将它们输入到标定后的加工表面层疲劳寿命预测模型中即可预测得到机械构件的加工表面层疲劳寿命。本发明使加工表面层疲劳寿命预测更加准确、快捷，为抗疲劳加工工艺优化提供可靠理论指导。

技术领域

本发明涉及的是一种机械加工领域的技术，具体是一种根据几何-组织-力学完整性耦合作用的加工表面层高周疲劳的机械构件寿命预测方法。

背景技术

在现有抗疲劳制造技术体系中，人们普遍采用通过不同加工工艺制得标准疲劳样件或类结构件乃至真实结构件进而开展疲劳试验获取疲劳寿命，根据寿命大小来评价加工工艺的抗疲劳性能优劣。然而，采用这种传统方法来评价加工工艺的抗疲劳性能是缺乏合理性和针对性的。相对于构件的整体结构而言，受加工工艺决定的加工表面层非常薄，因此由加工工艺产生的针对疲劳裂纹扩展的抑制作用也将仅局限于这一浅薄表面层范围内。当疲劳裂纹扩展至构件基体内部时，可通过加工工艺调控的表面层将不再对裂纹的扩展产生任何影响，这意味着，抗疲劳加工工艺的效果在本质上是由加工表面层的疲劳性能彰显出来。可以认为，加工表面层几何-组织-力学完整性的耦合作用使表面层疲劳微裂纹的萌生和扩展速率发生改变，才是不同加工工艺发挥抗疲劳效能的实质所在。所以，基于加工表面层几何-组织-力学完整性指标建立针对加工表面层的疲劳寿命评价方法对于指导抗疲劳加工工艺优化十分必要。

目前，有关加工表面层疲劳寿命评价指标鲜有人提出，相应的疲劳寿命预测模型亦是缺乏。在不同加工工艺条件下，加工表面完整性指标变化复杂且差异非常大，而加工表面层疲劳寿命对加工表面完整性又非常敏感，这无疑增大了表面层疲劳寿命预测模型的构建难度。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种基于加工表面层高周疲劳的机械构件寿命预测方法，使加工表面层疲劳寿命预测更加准确、快捷，为抗疲劳加工工艺优化提供可靠理论指导。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种基于加工表面层高周疲劳的机械构件寿命预测方法，基于微裂纹扩展理论，构建关联几何-组织-力学完整性指标的加工表面层疲劳寿命预测模型以及寿命损失模型；通过制作光滑试件并实验后进行加工表面层疲劳寿命预测模型待定参数的标定，制作特定加工工艺条件下获得的疲劳试件并实验后进行寿命损失模型待定参数的标定，之后，通过检测机械构件加工表面层的几何、组织和力学完整性指标并将它们输入到标定后的加工表面层疲劳寿命预测模型中即可预测得到机械构件的加工表面层疲劳寿命。

所述的加工表面层是指：由于施加加工工艺导致材料或构件近表面材料组织和机械性能相对于初始状态发生改变的几微米至数百微米范围表面层。

所述的加工表面层疲劳寿命预测模型是指：加工表面层疲劳寿命其中：l_th是加工表面层临界深度，l₀是加工表面等效初始微裂纹长度，是加工表面层疲劳微裂纹扩展速率。

所述的加工表面层临界深度l_th，优选为表面层表面层残余应力和表面层显微硬度二者中的最大深度值。

所述的寿命损失模型，即由加工工艺造成的特定粗糙表面对疲劳寿命的减低程度，可等效于一理想光滑表面上微裂纹萌生并扩展至长度l₀所造成的寿命损失，其中加工表面等效初始微裂纹长度其中：c₁、c₂是由试验数据拟合得到的常数，R_a、R_y、R_z分别是表面粗糙度中的轮廓算数平均偏差、轮廓最大高度和微观不平度十点高度。