[发明专利]一种高强金属材料变幅超高周疲劳寿命预测方法

摘要

本发明公开了一种基于损伤力学的高强金属材料变幅超高周疲劳寿命预测方法，本发明基于超高周疲劳试验结果和损伤力学模型，提供一套高强金属材料变幅超高周疲劳寿命预测方法；采用超声疲劳试验快速获取高强金属材料超高周疲劳性能，试验频率为20kHz，完成109周次仅需要13.9小时；基于非线性损伤力学理论，引入变幅应力水平的损伤因子，建立材料变幅超高周疲劳寿命预测模型，定量预测变幅载荷下的超高周疲劳寿命。该评定模型思路清晰，计算简单快捷。

主权项

1.一种基于损伤力学的高强金属材料变幅超高周疲劳寿命预测方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)采用超声疲劳方法对高强金属材料进行超高周次疲劳试验，试验频率20kHz，获得材料疲劳强度‑寿命数据，绘制材料疲劳S‑N曲线，根据S‑N曲线计算参数S和S1，其中S为材料疲劳损伤强度，S1为非线性累积参数；(2)对高强金属材料进行拉伸试验，加载速率0.00007s‑1～0.002s‑1，绘制高强金属材料的拉伸曲线，并根据拉伸曲线得出材料的弹性模量E、硬化系数k、材料参数C＝0.6E/k、抗拉强度σb；(3)对高强金属材料进行金相处理，选取其显微组织中初生α相+转变β相组织为代表单元，用显微硬度计采用显微硬度计测定初生α相的硬度与转变β相的硬度，将α相的硬度值设定为α相的弹性模量Ea，将转变β相的硬度值设定为转变β相的弹性模量Eb；(4)利用Abaqus有限元分析方法计算材料显微组织的力学参数Kf，对进行高强金属材料试样，并对其进行金相处理，在高强金属材料的显微组织中初生α相+转变β相组织为代表单元，对代表单元进行局部细化网格，施加远场应力σn，并输入步骤(3)中所测定的α相的弹性模量Ea及转变β相的弹性模量Eb，计算初生α相附近区域的应力分布，获得最大应力σmax，则力学参数Kf＝σmax/σn；(5)将以上述测定的参数代入并建立高强金属材料疲劳性能方程：其中σ_M为疲劳强度，N_R为疲劳寿命，S为材料疲劳损伤强度，S₁为非线性累积参数，σ_e为材料的疲劳极限且E为材料的弹性模量，k为材料的硬化系数，C为材料参数其C＝0.6E/k；为三向应力函数：其中ν为材料泊松比其值取0.33；Kf为反映材料热处理工艺及显微组织特征的参数；(6)通过高强金属材料的疲劳性能方程，绘制高强金属材料疲劳性能曲线；(7)根据损伤力学理论，建立高强金属材料的含预损伤Di‑1的第i应力水平下的疲劳损伤演化方程；式中Di为第i个应力谱块(σi)的疲劳损伤，Di‑1为第i‑1个应力谱块的疲劳损伤，Dc,i为第i个应力谱块的疲劳临界损伤；Ni为第i个应力谱块的循环周次数，NR,i为在第i个应力幅下的疲劳寿命；(8)第i个应力谱块的疲劳临界损伤D_c,i为：式中，Dk为拉伸断裂损伤值，一般取0.1；(9)根据损伤力学理论，第i‑1个应力谱块的疲劳损伤D_i‑1在第i个应力谱块的疲劳损伤等效值为：则在第i应力谱块下的疲劳等效损伤演化方程：(10)根据疲劳等效损伤演化方程，计算第i个谱块(σi,Ni)下的疲劳损伤Di；(11)比较疲劳损伤Di与疲劳临界损伤Dc,i；如果Di＜Dc,i，则不断地疲劳循环损伤计算；如果Di≥Dc,i，则疲劳裂纹发生扩展断裂，疲劳寿命为N＝N0+∑Ni‑1；N0为在第i个应力谱块下Di＝Dc,i时的实际循环周次数。