[发明专利]一种基于晶粒尺寸及显微硬度的搅拌摩擦焊接头疲劳寿命预测方法

说明书

一种基于晶粒尺寸及显微硬度的搅拌摩擦焊接头疲劳寿命预测方法，属于疲劳诊断分析领域。对试样进行不同加载水平下的疲劳小裂纹扩展复型实验，得到断裂在搅拌摩擦焊接接头不同区域的裂纹扩展数据；通过搅拌摩擦焊接头各区微观性能对Elber裂纹闭合方法进行修正，进而得出在不同应力比条件下断裂在接头不同区域的ΔK_eff‑da/dN裂纹扩展速率基线，拟合相关系数C、m；确定初始裂纹尺寸a₀和临界裂纹尺寸a_c；利用ABAQUS模拟出搅拌摩擦焊接头在不同加载水平下的薄弱区域，据此选择修正因子M及初始裂纹尺寸a₀取值。通过不断循环计算，当裂纹尺寸达到临界裂纹尺寸a_c时视为断裂，得到不同加载水平下搅拌摩擦焊接头的疲劳寿命。

技术领域

本发明涉及一种疲劳寿命预测方法，特别涉及一种基于晶粒尺寸及显微硬度的适用于搅拌摩擦焊接接头的疲劳寿命预测方法，属于机械结构诊断分析技术领域。

背景技术

在机械结构中，疲劳问题是不可忽视的。在工程运营中，结构承受的载荷多是重复循环的交变载荷，容易使结构在低应力下发生疲劳断裂。疲劳强度问题对于承受交变载荷的构件来说至关重要。焊接部位作为整个结构中最薄弱的环节，在焊接结构的失效中，因交变载荷引起的疲劳断裂事故占失效总数的80％-90％。开展有关金属材料在变幅载荷下高周疲劳裂纹萌生的微观机理、微观过程和物理本质的研究是非常有必要的。

对搅拌摩擦焊构件进行寿命预测时，需要考虑接头不同区域的微观组织变化等因素。对于铝合金搅拌摩擦焊接接头来说，焊接区域分为焊核(NZ)、热机(TMAZ)、热影响(HAZ)、母材(BM)四个区域，各区域的静力学性能不同，对于萌生在接头不同区域的裂纹，受微观组织及性能影响，其裂纹扩展规律并不同。1970年，Elber首先提出裂纹闭合概念，从描述裂纹张开应力S_op角度出发计算有效应力强度因子范围ΔK_eff，从而建立起以ΔK_eff为基础的疲劳裂纹扩展预测模型。自此之后，闭合效应成为研究裂纹扩展的焦点，众多闭合模型相继出现，比较著名的有AFFDL闭合模型，Dugdale模型以及Newman模型。但这些模型都有同一个前提条件：所研究的构件必须是同一种材料。然而对于搅拌摩擦焊接头来说，不同区域微观组织及性能不同，等同于不同材料，上述基于裂纹闭合的模型并不适用于预测搅拌摩擦焊接头疲劳寿命。基于搅拌摩擦焊焊接接头不同区域的微观性能，对Elber裂纹闭合方法进行修正，能够准确地预测搅拌摩擦焊构件的疲劳寿命，对焊接构件的安全服役具有理论意义和工程应用价值。

发明内容

本发明的目的在于提出一种基于晶粒尺寸及显微硬度的搅拌摩擦焊接接头疲劳寿命预测方法，通过研究“晶粒尺寸”、“显微硬度”及“显微硬度梯度”对接头宏观性能的影响，对Elber裂纹闭合方法进行修正，使得接头各区在不同应力比下的裂纹扩展速率可以很好地聚合在一起，进而通过Paris公式计算裂纹扩展增量并分构件的疲劳寿命。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是一种基于“晶粒尺寸”、“显微硬度”及“显微硬度梯度”的搅拌摩擦焊接接头疲劳寿命预测方法，该方法的具体步骤如下：

步骤1)：针对搅拌摩擦焊接头分区特征制备试样，疲劳试样中间部分呈圆弧状，总共制备四批试样，每批试样大于3个，各批试样横截面最小部分分别对应疲劳试样焊核区(NZ)、热机械影响区(TMAZ)、热影响区(HAZ)及母材区(BM)，使得每批试样断裂位置在最小横截面对应区域。对每批试样进行不同应力水平下的加载，并对疲劳小裂纹进行贴膜复型，采用割线法计算小裂纹扩展速率，得到断裂在搅拌摩擦焊接接头不同区域的裂纹扩展数据，割线法公式如下：

其中ΔN为循环区间，Δa为裂纹长度变化值，a_i为循环数为N_i时的裂纹长度。