[发明专利]一种基于不同约束条件下的金属构件热机械疲劳寿命预测方法

说明书

本发明公开了一种基于不同约束条件下的金属构件热机械疲劳寿命预测方法，属于材料科学与工程应用技术领域。该方法首先根据服役工况，获得服役构件所面临的载荷条件，设计并进行金属材料在约束状态下的热机械疲劳试验，确定热机械疲劳循环滞回能与约束系数的关系，建立滞回能模型并获得相关参数。根据滞回能累积损伤模型，建立了不同约束条件下热机械疲劳寿命预测的方法，进而可以推导出在实际服役工况下构件的服役时间。该方法可以通过约束热机械疲劳加速测试，即可实现材料热机械疲劳寿命的准确预测，同时也可用于构件在实际服役条件下的性能评估。

技术领域

本发明涉及金属材料的构件服役载荷谱和热机械疲劳性能试验技术领域，具体涉及一种基于不同约束条件下的金属构件热机械疲劳寿命预测方法。

背景技术

在航空航天、能源动力等诸多领域中，许多热端部件(内燃机活塞、燃气轮机叶片和涡轮盘等)长期在高温条件和循环载荷下运行，该循环载荷包含三种载荷形式，即：装配载荷、机器载荷和热载荷。根据失效分析，其最主要失效形式为热载与机械载荷共同往复作用而形成的热机械疲劳损伤。由于热载荷与机械载荷交互耦合作用对材料疲劳的影响，使得循环失效周次往往不足10⁵。如不能进行合理的热机械疲劳寿命预测，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。

由于热机疲劳损伤的复杂性，热机械疲劳寿命已经困扰了科研工作者近半个世纪。从最初的20世纪50年代以来，国内外学者对材料热机械相关的疲劳损伤行为进行了大量的研究工作。首先是Manson-Coffin方程，并在此基础上开始考虑频率和塑性应变对疲劳的影响，包括SRP法、频率修正法等，但相应的模型需要大量的实验参数并缺乏物理意义；另一种则是基于线性累计损伤为基础的延性耗竭和时间分数等模型，这类方法通过揭示热机械疲劳过程中物理损伤行为建立物理模型，包括Neu-Sehitoglu模型、Miller模型和J积分模型。这类方法虽然公式的理论推导比较严谨，但由于没有考虑构件实际所面临的服役状态和最主要的影响因素，使得在寿命预测过程中常出现非保守或过于保守的结果出现，同时该方法对不同构件的疲劳寿命缺乏适用性。因此，针对金属构件热机械疲劳失效问题，急需一种相对简单、准确的疲劳寿命预测方法。

发明内容

为了克服现有热机械疲劳寿命预测方法存在的上述问题，本发明的目的在于提供一种基于不同约束条件下的金属构件热机械疲劳寿命预测方法，该方法考虑高温构件运行中的约束行为，通过不同约束下的加速试验，利用能量模型，提供了一种简便的构件寿命预测模型。利用载荷谱数据、能量模型参数和少量热机械疲劳实验数据，考虑最危险状态时的约束条件，用以实现构件热机械疲劳寿命的准确预测。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种基于不同约束条件下的金属构件热机械疲劳寿命预测方法，该方法基于构件服役载荷谱，确立了约束下热机械疲劳失效形式。通过对材料约束条件下的加速热机械疲劳试验，在传统的能量模型基础上，建立不同约束条件下简便的寿命预测模型。并实现了从材料到构件的服役疲劳寿命预测。该方法包括如下步骤：

(1)分析服役构件的实际服役工况，建立构件服役载荷谱；载荷谱中包括构件服役温度T、机械应变Δε_m、热应变Δε_th和约束系数η随时间变化关系图；所述约束系数η＝Δε_m/Δε_th；

(2)获取能够合理反映材料服役行为的热机械疲劳试验条件，确定试验中的疲劳载荷范围，包括服役温度范围、机械应变范围、热应变范围以及约束系数，其中疲劳载荷具备的特征为：机械载荷随时间周期性变化，温度随时间周期性变化，同时约束系数保持恒定；