一种基于表面完整性的钛合金材料低周疲劳寿命预测方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及钛合金材料承受拉压载荷时疲劳寿命的预测问题，具体涉及一种基于 表面完整性的钛合金材料的低周疲劳时效方法，适用于汽车、航天航空、船舶和医疗中广泛 使用的各种钛合金材料。
【背景技术】
[0002] 随着钛合金在航空工业、汽车工业、船舶工业以及医疗领域的广泛应用，钛合金的 低周疲劳损伤问题日益突出，这严重威胁了钛合金结构件的安全性和可靠性。航空航天设 备、船舶、轨道车辆等大型机械结构，其服役环境的复杂性，载荷历程的多变性，可能导致结 构的突然失效，引起突发性事故。大型机械结构的安全一直是工程界普遍关心与研究的 课题，这类系统的寿命分析与预测技术直接关系到国家经济利益和人民群众的生命财产安 全，是关乎国计民生的重大问题，国内外学者对此都极为关注。
[0003] 钛合金结构系统的寿命预测技术与钛合金结构元件的使用寿命密切相关。在工程 中，构件可能会因为受到各种载荷的作用而产生破坏，其中由于交变载荷而导致的疲劳破 坏占到了 50%~90%。随着钛合金机械构件逐渐向大型化、复杂化和高温、高速的使用环 境方向发展，不确定性因素大大增加，疲劳破坏现象更是层出不穷。因此，深入开展钛合金 疲劳破坏问题的研究对促进我国科技与国防事业发展和实现现代化有着十分重要的意义。
[0004]随着现代科学技术的发展，钛合金机械产品的结构日益复杂，性能参数越来越高， 工作环境条件更加严酷，传统的钛合金疲劳寿命预测方法与工程实践的矛盾逐渐显现，究 其原因在于传统的确定性方法不能很好地描述工程中客观存在的不确定性现象。在实际的 服役条件下，工件往往承受着不确定的加载条件，因此，传统的基于加载条件的疲劳寿命预 测方法将无法满足工程发展需要。
【发明内容】
[0005] 针对现有技术存在的问题，本发明提出了一种基于表面完整性的钛合金材料低周 疲劳寿命预测方法，该方法是通过工件材料的表面完整性指标参数进行疲劳寿命预测的， 有效的避免了由于实际工况下加载条件的不确定而引起的误差，提高了钛合金材料低周疲 劳寿命预测的稳定性和准确性。
[0006] 本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：一种基于表面完整性的钛合金材料 低周疲劳寿命预测方法，包括如下步骤：
[0007] 步骤1:首先判断需进行低周疲劳寿命预测的工件材料是否为钛合金材料，若是 钛合金材料，则进行步骤2,若不是钛合金材料，则退出；
[0008] 步骤2 :根据工件结构的几何形状，进行有限元分析，得到工件结构的应力分布， 判断工件结构是否为低周疲劳；
[0009] 步骤3 :若工件结构在危险点处产生塑性应变，则为低周疲劳，进入步骤4 ;否则， 退出；
[0010] 步骤4:在不同的切削条件下对工件材料对若干个相同的工件选取同一点，在不 同的切削条件下进行切削加工，之后测量出各种切削条件下工件的表面粗糙度Ra和最大 表面残余主应力〇r;
[0011] 步骤5 :在拉压加载条件下对经步骤4切削加工后的工件材料进行低周疲劳试验， 获得一系列试验数据点，由于疲劳寿命和应力水平之间满足双对数线性关系，即S-N曲线 可采用最常用的幂指数形式：Sm ?N=C，因此两边同时取对数即可得到对数坐标下S-N曲 线的线性回归模型：lg〇_=a?lgNf+b，其中〇_为应力控制试验的最大应力，Nf为疲 5?寿命，a和b为待定系数；
[0012] 步骤6 :对步骤4中测得的表面粗糙度Ra与最大表面残余主应力〇r及步骤5中 对应的待定系数a和b进行拟合，确定关系式：
的各个材 料常数，其中残余拉应力取" + "，残余压应力取；
[0013] 步骤7 :基于多项式回归方程与正余弦回归方程相结合的模型，建立钛合金材料 低周疲劳寿命的预测模型为：
[0014]
[0015] 进一步的，步骤4中所述的表面粗糙度Ra和最大表面残余主应力是同一种工 件材料在不同的切削条件下测量得到的结果。
[0016] 进一步的，步骤5中所述的待定系数a和b是基于lg〇max_lgNf关系曲线采用线性 拟合方法确定的。
[0017] 进一步的，步骤6中采用数据拟合的方法，对表面完整性指标参数以及待定系数a 和b进行回归分析，获得关系式中的材料常数。
[0018] 本发明的有益效果在于：
[0019] (1)利用表面完整性指标参数进行疲劳寿命预测可以避免因实际工况下载荷条件 的不确定性而引起的误差，提高了预测的稳定性和精度。
[0020] (2)基于表面完整性的钛合金材料低周疲劳寿命预测方法中充分考虑了各种因素 对低周疲劳寿命的影响程度，引入了影响程度较大的表面粗糙度Ra和最大表面残余主应 力％，而忽略影响较小的表面层硬度，简化了低周疲劳寿命预测模型，可以更加方便、迅速 地进行低周疲劳寿命预测。
【附图说明】
[0021] 图1是本发明实施流程图；
[0022] 图2是本发明疲劳试验所用试样尺寸图；
[0023] 图3是对应于一种确定的切削条件下对TC4-DT钛合金材料进行低周疲劳试验后 所得到的lg〇 _与IgNf的关系图；
[0024]图4是对应于一种确定的切削条件下TC4-DT钛合金材料基于表面完整性指标参 数进行低周疲劳寿命的预测结果与试验结果的对比图。
【具体实施方式】
[0025] 下面结合附图和【具体实施方式】对本发明进行详细说明。
[0026] 本发明是一种基于表面完整性的钛合金材料低周疲劳寿命预测方法，其过程如图 1所示，下面以TC4-DT钛合金材料为例，详细介绍本发明的实施步骤：
[0027] 步骤1:判断出TC4-DT是一种新型钛合金材料，故可以进入步骤2;
[0028] 步骤2:对TC4-DT工件结构进行有限元分析，获得其应力分布，判断是否为低周疲 劳；
[0029] 步骤3:发现TC4-DT工件结构在危险点处产生了塑性应变，因此可以判断是低周 疲劳，进入步骤4;
[0030] 步骤4 :设置不同的切削参数，包括切削速度、进给速度和切削深度等，对TC4-DT 钛合金材料进行切削加工，结束后测量出不同切削条件下TC4-DT钛合金的表面粗糙度Ra 和最大表面残余主应力〇p其具体数值如表1所示；
[0031] 步骤5:在拉压加载条件下对TC4-DT钛合金进行低周疲劳试验，疲劳试样，疲劳试 样如图2所示。通过对试验数据点进行拟合，可以获得lg〇_与lgNf之间的关系曲线，从而 确定关系式：lg〇 max=a?lgNf+b中的待定系数a和b，其数值如表1所示，图3为对应于 一种确定的切削条件下对TC4-DT钛合金材料进行低周疲劳试验后所得到的lg〇 _与IgNf 的关系图；
[0032] 表1不同切削条件下TC4-DT钛合金的表面粗糙度Ra、最大表面残余主应力％以 及对应的待定系数a和b值
[0033]
[0034] 步骤6 :对表1中的数据进行拟合，求出关系式：
[0035] 步骤7 :将获得的a、b与Ra和〇』勺函数关系带入关系式lg〇 max=a?lgNf+b 中，即可得到基于表面完整性的钛合金材料低周疲劳寿命预测模型：
[0036]
[0037] 图4为对应于一种确定的切削条件下TC4-DT钛合金材料基于表面完整性指标参 数进行低周疲劳寿命的预测结果与试验结果的对比图。结果表明，本发明的方法可以准确 地预测TC4-DT钛合金材料的低周疲劳寿命。
[0038] 以上结合附图对本发明的实例进行了详细的描述，但本发明不局限于上述具体的 实施方式，上述的【具体实施方式】仅是示例性的，不是局限性的，任何不超过本发明权利要求 的发明创造，均在本发明的保护之内。
【主权项】
1. 一种基于表面完整性的铁合金材料低周疲劳寿命预测方法，其特征在于：包括如下 步骤： 步骤1:首先判断需进行低周疲劳寿命预测的工件材料是否为铁合金材料，若是铁合 金材料，则进行步骤2,若不是铁合金材料，则退出； 步骤2 :根据工件结构的几何形状，进行有限元分析，得到工件结构的应力分布，判断 工件结构是否为低周疲劳； 步骤3:若工件结构在危险点处产生塑性应变，则为低周疲劳，进入步骤4;否则，退 出； 步骤4:在不同的切削条件下对工件材料对若干个相同的工件选取同一点，在不同的 切削条件下进行切削加工，之后测量出各种切削条件下工件的表面粗糖度Ra和最大表面 残余主应力Or; 步骤5 :在拉压加载条件下对经步骤4切削加工后的工件材料进行低周疲劳试验，获得 一系列试验数据点，由于疲劳寿命和应力水平之间满足双对数线性关系，即S-N曲线可采 用最常用的幕指数形式：S" ?N=C，因此两边同时取对数即可得到对数坐标下S-N曲线的 线性回归模型：lgOmax=a?IgNf+b，其中Omax为应力控制试验的最大应力，Nf为疲劳寿 命，a和b为待定系数； 步骤6 :对步骤4中测得的表面粗糖度Ra与最大表面残余主应力Of及步骤5中对应 的待定系数a和b进行拟合，确定关系式：料常数，其中残余拉应力取" + "，残余压应力取; 步骤7 :基于多项式回归方程与正余弦回归方程相结合的模型，建立铁合金材料低周 疲劳寿命的预测模型为：2. 根据权利要求1所述的基于表面完整性的铁合金材料低周疲劳寿命预测方法，其特 征在于：步骤4中所述的表面粗糖度Ra和最大表面残余主应力Of是同一种工件材料在不 同的切削条件下测量得到的结果。3. 根据权利要求1所述的基于表面完整性的铁合金材料低周疲劳寿命预测方法，其特 征在于：步骤5中所述的待定系数a和b是基于IgOmgy-lgNf关系曲线采用线性拟合方法 确定的。4. 根据权利要求1所述的基于表面完整性的铁合金材料低周疲劳寿命预测方法，其特 征在于：步骤6中采用数据拟合的方法，对表面完整性指标参数W及待定系数a和b进行回 归分析，获得关系式中的材料常数。
【专利摘要】本发明公开了一种基于表面完整性的钛合金材料低周疲劳寿命预测方法，考虑了在拉压加载条件下钛合金材料的低周疲劳失效模式，以表面完整性指标参数为基础，将多项式回归模型与正余弦回归模型相结合，建立了采用表面粗糙度Ra和最大表面残余主应力σr的组合来评估钛合金材料低周疲劳寿命的预测模型，并最终提出一钟基于表面完整性的钛合金材料低周疲劳寿命预测方法。本发明能够简单快速并且精确地预测钛合金材料的低周疲劳寿命，为零部件的可靠设计提供理论依据，指导实际生产，具有一定的工程应用价值。
【IPC分类】G01N3/08
【公开号】CN105203392
【申请号】CN201510518529
【发明人】陈明和, 杜舜尧, 朱知寿, 王新南
【申请人】南京航空航天大学
【公开日】2015年12月30日
【申请日】2015年8月21日