基于加工表面层高周疲劳的机械构件寿命预测方法与流程

技术特征：

1.一种基于加工表面层高周疲劳的机械构件寿命预测方法，其特征在于，基于微裂纹扩展理论，构建关联几何-组织-力学完整性指标的加工表面层疲劳寿命预测模型以及寿命损失模型；通过制作光滑试件并实验后进行加工表面层疲劳寿命预测模型待定参数的标定，制作特定加工工艺条件下获得的疲劳试件并实验后进行寿命损失模型待定参数的标定，之后，通过检测机械构件加工表面层的几何、组织和力学完整性指标并将它们输入到标定后的加工表面层疲劳寿命预测模型中预测得到机械构件的加工表面层疲劳寿命；

所述的加工表面层疲劳寿命预测模型是指：加工表面层疲劳寿命其中：lth是加工表面层临界深度，l0是加工表面等效初始微裂纹长度，是加工表面层疲劳微裂纹扩展速率；

所述的寿命损失模型，即由加工工艺造成的特定粗糙表面对疲劳寿命的减低程度，可等效于一理想光滑表面上微裂纹萌生并扩展至长度l0所造成的寿命损失，其中加工表面等效初始微裂纹长度其中：c1、c2是由试验数据拟合得到的常数，ra、ry、rz分别是表面粗糙度中的轮廓算数平均偏差、轮廓最大高度和微观不平度十点高度。

2.根据权利要求1所述的基于加工表面层高周疲劳的机械构件寿命预测方法，其特征是，所述的加工表面层疲劳微裂纹扩展速率其中：keff,max为最大应力强度因子，cs为材料常数，ms为裂纹扩展速率曲线斜率，ns为应力强度因子的影响力系数，ks为裂纹闭合程度随裂纹扩展而变化的参数，kic为材料的断裂韧性，leff是有效微裂纹长度，δks是微裂纹尖端应力强度因子，δkths是微裂纹扩展门槛值，δkthl为基体材料的宏观裂纹扩展门槛值，σflim为基体材料的疲劳强度极限；

所述的有效微裂纹长度其中：l为在外加交变载荷作用下，疲劳微裂纹自表面等效初始微裂纹长度l0开始扩展的长度，c是基体材料显微硬度和屈服强度的比值，σeff,max(l)是裂纹尖端所承受的有效应力最大值，h(l)是距离最外表面为l的表面层某点处的显微硬度；距离最外表面为d的表面层某点处的有效应力σeff(d)＝σreal+σres(d)，其中：σreal是外加载荷应力，σres是内部残余应力；

所述的微裂纹尖端应力强度因子其中：y是修正因子，σeff,op是能够使微裂纹恰好张开的应力；

所述的微裂纹扩展门槛值

3.根据权利要求1所述的基于加工表面层高周疲劳的机械构件寿命预测方法，其特征是，所述的几何-组织-力学完整性指标具体是指：以构件的加工表面层的表面等效初始微裂纹长度l0、表面层显微硬度h(d)以及表面层残余应力σres(d)依次作为几何完整性指标、组织完整性指标和力学完整性指标，其中：d为表面层内某点到最外表面的距离。

4.根据权利要求1所述的基于加工表面层高周疲劳的机械构件寿命预测方法，其特征是，所述的制作光滑试件并实验是指：使用表面光滑、表面层材料物理性质与内部基体材料完全相同、不含表面变质层的光滑试件，在不同应力水平和应力比下开展疲劳试验，以对加工表面层疲劳寿命预测模型中的未知参数进行标定。

5.根据权利要求4所述的基于加工表面层高周疲劳的机械构件寿命预测方法，其特征是，所述的加工表面层疲劳寿命预测模型的标定是指：将已知条件h(d)＝hsubstrate、σres(d)＝0、l0＝0以及不同加载应力水平和应力比条件下的系列寿命数据输入加工表面层疲劳寿命预测模型中反求得到参数cs、ms、ns、ks、y的具体值，其中：hsubstrate是基体材料的平均显微硬度。

6.根据权利要求1所述的基于加工表面层高周疲劳的机械构件寿命预测方法，其特征是，所述的制作疲劳试件并实验是指：使用不同加工工艺获得若干具有不同完整性特征的加工表面层的疲劳试件，通过测量获得相应加工表面层的表面层显微硬度、表面层残余应力和表面粗糙度数据，通过开展疲劳试验获得相应加工表面层的疲劳寿命数据。

7.根据权利要求6所述的基于加工表面层高周疲劳的机械构件寿命预测方法，其特征是，所述的表面粗糙度、表面层显微硬度和表面层残余应力，优选采用粗糙度仪对加工表面粗糙度进行测量，即在垂直于加工表面的截面上，使用纳米压痕仪按一定间距从最外表面向基体内部测量出若干点的显微硬度数据，通过对这些数据拟合即可得到表面层显微硬度h与层深d的连续函数关系h(d)；在加工表面上，采用电解抛光剥层法和x射线衍射技术测量出表面变质层内若干层深位置的残余应力数据，通过对这些数据拟合即可得到表面层残余应力σres与层深d的连续函数关系σres(d)。

8.根据权利要求1所述的基于加工表面层高周疲劳的机械构件寿命预测方法，其特征是，所述的寿命损失模型的标定是指：将疲劳试件的实验得到的系列加工表面层的疲劳寿命数据和完整性数据分别输入到经过标定的加工表面层疲劳寿命预测模型中，反求得到系列表面等效初始微裂纹长度l0后，根据表面粗糙度ra、ry、rz数据和表面等效初始微裂纹长度l0的对应关系，通过拟合得到常数c1、c2。

9.根据权利要求1所述的基于加工表面层高周疲劳的机械构件寿命预测方法，其特征是，所述的预测得到机械构件的加工表面层疲劳寿命是指：针对由特定加工工艺制作的机械构件，通过实际测得的表面粗糙度数据根据寿命损失模型换算得到的加工表面层的表面等效初始微裂纹长度数据、表面层显微硬度数据和表面层残余应力数据作为表面层疲劳寿命预测模型的输入即得机械构件的加工表面层疲劳寿命。