[发明专利]一种基于小裂纹扩展的搅拌摩擦焊构件疲劳寿命预测方法

摘要

一种基于小裂纹扩展的搅拌摩擦焊构件疲劳寿命预测方法，属于机械结构疲劳诊断分析技术领域。制备骨状平板试样，在接头不同区域进行不同应力加载及不同应力比下的疲劳小裂纹扩展复型试验，用割线法计算小裂纹扩展速率；采用New‑Raju模型计算接头小裂纹应力强度因子范围；测量接头不同区域断口形貌中的疲劳裂纹扩展区半圆弧状的深度方向c值和宽度方向a/2值，计算裂纹深长比2c/a；绘制裂纹扩展速率随应力强度因子范围变化的曲线；计算有效应力强度因子；确定小裂纹扩展速率公式；确定初始裂纹尺寸a0和临界裂纹尺寸ac；对小裂纹扩展速率公式进行积分，得到焊接构件的疲劳寿命。该方案能够更简单、准确地预测搅拌摩擦焊构件的疲劳寿命。

主权项

1.一种基于小裂纹扩展的搅拌摩擦焊构件疲劳寿命预测方法，其步骤为：步骤1)：对焊接疲劳试样制成预期焊接接头出现裂纹区域为最小截面的骨状平板试样，开展在焊接接头不同区域的不同应力加载及不同应力比下的疲劳小裂纹扩展复型试验，采用割线法计算小裂纹扩展速率，公式如下：其中ΔN为循环区间，Δa为裂纹长度变化，ai为在循环数为Ni时的裂纹长度；步骤2)：采用New‑Raju模型，计算焊接接头小裂纹应力强度因子范围：其中ΔS为应力范围，a为表面裂纹长度，Q为形状因子，F为边界校正因子，c为裂纹深度，t为试样厚度，b为试样宽度，为角函数；0＜c/a≤1/2，0＜c/t≤1，a/b＜1，形状因子Q的计算根据第二类椭圆积分，公式如下：F为无量纲边界校正因子，公式如下：其中M1、M2、M3、fφ、g、fω用以下公式计算：步骤3)：测量焊接接头不同区域断口形貌中的疲劳裂纹扩展区半圆弧状的深度方向c值和宽度方向a/2值，计算裂纹深长比2c/a，取不同区域2c/a的均值作为整体搅拌摩擦焊接头裂纹的深长比；步骤4)：采用Paris公式，两边取对数：lg(da/dN)＝lg C+m lg(ΔK)  (11)其中C、m为常数，da/dN为裂纹扩展速率，ΔK为应力强度因子范围；绘制小裂纹在焊接接头不同区域不同应力加载及不同应力比下裂纹扩展速率随应力强度因子范围变化的曲线；步骤5)：计算有效应力强度因子，考虑裂纹闭合的有效强度因子ΔKeff的定义如下：ΔKeff＝UΔK  (12)其中U为裂纹闭合系数；当应力比为R时，裂纹闭合系数为U(R)，加入闭合系数可引入应力比影响，使接头不同区域裂纹扩展速率与有效应力强度因子更趋近于线性关系；选用Schijve提出的裂纹闭合系数公式：U(R)＝0.55+0.33R+0.12R2  (13)步骤6)：以Paris公式为基础，确定小裂纹扩展速率的表达式为：根据小裂纹扩展速率和有效应力强度因子的对应数据拟合得到C*、m*；步骤7)：初始裂纹尺寸a0和临界裂纹尺寸ac的确定；大多数小裂纹产生于材料的微观缺陷，取3‑5个接头中不同区域的尺寸大于普通硬化、夹杂颗粒或表面微小凹坑一倍的上述微观缺陷的尺寸平均值作为初始裂纹尺寸a0；以试样厚度和接头断裂韧度对应的裂纹尺寸中的较小值作为临界裂纹尺寸ac；其中通过试验得到材料的断裂韧度KC，计算公式如下：其中Y为裂纹形状系数，σc为断裂应力；步骤8)：对公式(14)进行积分，得到焊接构件的疲劳寿命，公式如下：