专利名称：基于非对称循环应力控制加载的低周疲劳寿命预测方法
技术领域：
本发明涉及金属材料在非対称应カ循环应カ服役条件下的低周疲劳寿命预测方法。
背景技术：
疲劳失效是各种材料/零部件的主要失效形式之一，据统计80%以上零部件的损坏是由疲劳断裂引起的。金属材料的力学性能尤其是疲劳性能备受人们关注，近年来，金属材料疲劳特性研究已经成为热点。材料/零部件在循环应力控制加载下产生塑性应变累积的现象即为棘轮效应。尽管在每个循环加载中材料/零部件所产生的塑性变形量可能较小，但是随着循环的进行，累积的塑性变形量却不容忽视，它可能直接导致材料/零部件内部产生较大的应力集中、空洞和裂纹等缺陷，从而导致无法预料的断裂失效，严重降低了材料/零部件的疲劳性能。因此，要确保此类零部件使用过程中的可靠性、耐久性和安全性，必须在疲劳设计和安全性评估中考虑材料/零部件的棘轮效应及其对疲劳行为的影响，棘轮效应的存在对许多零部件疲劳可靠性设计提出了严峻挑战。疲劳寿命是承受循环载荷的材料/零部件可靠性设计和评估的ー个重要指标，由于绝大多数零部件在实际服役过程中承受的载荷是非对称周期变化的，非対称循环载荷下材料/零部件的疲劳寿命预测问题一直是疲劳研究中的重要难题。已有文献表明，传统的Basquin模型、Cofflin-Mason模型和能量理论模型可准确预测材料/零件在对称应变控制加载条件下的疲劳寿命。其中，由于Basquin模型具有形式简单、材料常数少等优点被广泛应用于材料疲劳寿命的预测。Basquin模型的基本形式如下Oa=Or f (2Nf)b其中，σ 'で为疲劳强度系数，b为疲劳強度系数。该模型重点考虑了应カ幅值σ a与疲劳寿命Nf之间的关系，且Basquin模型主要适用于对称循环加载条件下的疲劳寿命估算。当材料服役于非对称应カ循环エ况条件吋，由于平均应カ对疲劳寿命的影响十分显著，使得Basquin模型预测材料的疲劳寿命时存在较大误差。为了准确预测材料在非対称循环载荷作用下的低周疲劳寿命，ー些学者在Basquin模型的基础上进行了相应的修正，其基本思路是认为平均应カ存在只影响Basquin模型中的疲劳强度系数，而对疲劳强度指数没有影响。因此，通过修正Basquin模型左侧的应カ幅值Oa来预测非対称循环载荷作用下的低周疲劳寿命。然而，实验结果表明在非対称循环作用下，平均应カ的存在不仅影响Basquin模型中的疲劳强度系数，而且也会影响其疲劳强度指数，甚至对疲劳强度系数的影响更为显著。这是因为材料在非対称循环应カ载荷作用下，一方面会产生棘轮效应，带来附加的损伤，加速材料的疲劳破坏；另一方面，疲劳损伤不断累积，疲劳失效不可避免。如果未充分考虑非対称加载エ况对疲劳强度系数和疲劳强度指数的影响，则会导致预测结果与实际情况之间存在很大的误差，而且这种误差具有分散性，直接导致了寿命评估结果不可靠。为了可靠地评估金属材料的低周疲劳性能，有必要提出ー种能快速、方便、准确预测金属材料在非対称循环应カ控制加载条件下的低周疲劳寿命的方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种预测材料在非对循环应カ控制加载下的低周疲劳寿命预测方法，解决了目前不能准确预测材料在非対称循环应力作用下的低周疲劳寿命估算问题。为达到上述目的，本发明采用的技术方案是一种预测材料在非対称循环应力加载下的低周疲劳寿命的方法，其方法的步骤为步骤I :在一系列峰值应カσ ρ( σ s彡σ ρ < σ u)和应カ比R(_0. 4彡O. 4)下，进行非対称循环应力加载的低周疲劳实验，得到金属材料的低周疲劳寿命，其中03和Ou分别为材料的屈服极限和抗拉极限，可通过单轴拉伸实验或相关的材料性能手册获得；步骤2 :在恒定的峰值应カ条件下，对式(I)所示的Basquin模型两边取对数可得式⑵·σ a = O p (I-R)/2 = O ' f(2Nf)b(I)In[(トR)/2] = Ιη[σ ' f/σ p]+bln(2Nf)(2)其中，oa为应カ幅值，σρ*峰值应力，ο ' f为疲劳强度系数，b为疲劳强度指数，Nf低周疲劳寿命。根据疲劳试验条件和实验结果，可获得ln(2Nf)与In [(I-R)/2]之间的关系图，对实验数据进行回归分析，获得不同加载エ况下的疲劳强度系数σ，f和疲劳强度指数b值。通过数据拟合方法确定疲劳强度系数σ，f、疲劳強度指数b与峰值应力、材料抗拉极限的函数关系为
权利要求
1.一种基于非对称循环应力控制加载的金属材料低周疲劳寿命预测方法，其特征在于可以快速地预测金属材料在非对称循环应力加载条件下的疲劳寿命，该方法的步骤包括 步骤I :在一系列峰值应力σ ρ和应力比R的条件下，进行非对称循环应力加载的低周疲劳实验，获得材料低周疲劳寿命； 步骤2 :根据疲劳实验的工况条件与材料的低周疲劳寿命Nf，获得ln(2Nf)与In[(I-R)/2]关系图，并通过非线性数据拟合的方法确定疲劳强度系数σ，f、疲劳强度指数 b 与 σ ρ/ σ u 的函数关系为σ ' f= ο ' f0+m exp [_n ( σ ρ/ σ u) ]，b = b0 exp [_c ( σ Jou)]，其中σρ为峰值应力，ou为材料抗拉极限，σ，{和13分别为材料的疲劳强度系数和疲劳强度指数，σ，f(l，n^Pn为材料常数，σ，f(1为不考虑平均应力的疲劳极限，m和η为材料对σ ρ/ σ u的敏感程度，b0和c为材料常数，b0为初始疲劳强度指数，c为材料对σ Jσu的敏感程度； 步骤3 :基于Basquin模型，建立非对称循环应力控制条件下金属材料低周疲劳寿命的预测模型，并预测其疲劳寿命，所述非对称循环应力控制条件下金属材料低周疲劳寿命的σρ(1-/ )/2 = σ；(2^)Λ预测模型为< A = σβ +m εχρ[-η(σρ /σα)]。
6 = b0exp[-c(crp/au)]
2.如权利要求I所述的方法，其特征在于步骤I中所述的疲劳实验工况参数包括峰值应力应力比R，峰值应力范围为os ou，其中σ u分别为材料的屈服极限和抗拉极限，可通过单轴拉伸实验或相关的材料性能手册获得，应力比R的范围为-O. 4 O. 4。
3.如权利要求I所述的方法，其特征在于步骤I中所述的疲劳实验加载条件是非对称循环应力控制的。
4.如权利要求I所述的方法，其特征在于步骤2中采用数据拟合的方法，对实验数据进行回归分析，获得不同加载工况下的疲劳强度系数σ，{和疲劳强度指数b值。
5.如权利要求I所述的方法，其特征在于步骤2中所述的材料常数ο' _111和η是基于。，f-(op/ou)关系曲线采用非线性拟合方法确定的。
6.如权利要求I所述的方法，其特征在于步骤2中所述的材料常数k和c是基于b_ σ ρ/ σ u关系曲线采用非线性拟合方法确定的。
全文摘要
本发明公开了一种基于非对称循环应力控制加载的金属材料低周疲劳寿命预测方法，其方法的步骤包括(1)通过非对称循环应力控制的疲劳实验，获得金属材料的低周疲劳寿命；(2)根据疲劳实验的工况条件与材料的疲劳性能，确定疲劳强度系数σ′f、疲劳强度指数b与峰值应力、材料抗拉极限的函数关系；(3)建立非对称循环应力控制条件下金属材料低周疲劳寿命的预测模型，并预测其疲劳寿命。本发明的方法可以快速地预测金属材料在非对称循环应力加载条件下的疲劳寿命，为零部件的可靠性设计及评估提供理论参考。
文档编号G01N3/32GK102967512SQ20121043099
公开日2013年3月13日 申请日期2012年10月25日 优先权日2012年10月25日
发明者蔺永诚, 陈小敏, 刘正华, 陈明松 申请人:中南大学