不同晶界取向差金属材料高周疲劳性能的预测方法

1.本发明涉及金属材料高周疲劳性能测试技术领域，具体涉及一种不同晶界取向差金属材料高周疲劳性能的预测方法。


背景技术：

2.多数金属材料由晶粒构成，属于同一固相但取向不同的相邻晶粒间的界面称为晶界。根据晶界两侧的取向差角度可以把晶界分为大角度晶界和小角度晶界。小角度晶界是指取向差小于10
°
的晶界。晶界对于材料的力学性能有着极为重要的作用，在常温下晶界的存在会对位错的运动起阻碍作用，表现为晶界强度和硬度强于晶内。因此，在常温条件下，晶粒越细，晶界含量越高，金属材料的强度越高。但在较高温度下则相反。随着温度升高，晶界弱化速度远远快于晶内，这就导致晶界在高温情况下成为金属构件失效的源头。许多金属材料构件，如耐热钢、高温合金等，服役温度较高，晶界容易成为构件失效的原因。因此我们需要评估晶界在服役温度条件下对该金属材料构件力学性能，包括高周疲劳性能的影响。
3.由于疲劳测试特别是高温疲劳测试费时、费力、费钱，同时在构件设计制备中如不能采用全面准确的疲劳数据或疲劳性能预测本构关系，会极大程度增加构件服役成本，降低构件服役安全性，并产生难以挽回的损失。因此，针对不同小角度晶界取向差的金属材料高周疲劳性能，急需一种相对简单、准确的预测方法。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种不同晶界取向差金属材料高周疲劳性能的预测方法，该方法通过建立疲劳强度系数和指数与晶界取向差关系，代入basquin关系，提供了一种简便的寿命和强度预测模型。该预测方法相对简单、准确、成本低。
5.为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
6.一种不同晶界取向差金属材料高周疲劳性能的预测方法，该方法包括如下步骤：
7.(1)分析金属材料构件的典型服役工况和铸造工艺流程，确定材料高周疲劳的典型服役温度和晶界类型；
8.(2)制备具有晶界取向差在小角度晶界范围内变化的几种金属材料双晶样品，且晶界类型保持一致；例如取向差为4
°
、8
°
、12
°
的三种倾侧晶界双晶样品。随后对双晶样品进行标准热处理；
9.(3)对取向差不同的几种样品在热处理后分别进行典型服役温度条件下的高周疲劳性能测试，获得不同取向差θ下的应力(σa)-寿命(nf)关系(s-n曲线)和疲劳强度；
10.(4)通过basquin公式拟合，获得不同晶界取向差θ条件下的疲劳强度系数σ
′f和疲劳强度指数b；
11.(5)对步骤(4)获得的不同晶界取向差样品的疲劳强度系数σ
′f数据和疲劳强度指数b数据进行拟合，分别建立疲劳强度系数σ
′f、疲劳强度指数b与晶界取向差θ之间的定量
关系；
12.(6)把步骤(5)中获得的以取向差θ为变量的疲劳强度系数σ
′
表达式和疲劳强度指数b表达式代入basquin方程，建立应力幅σa、疲劳寿命nf和取向差θ三者之间的定量关系，进而对其他晶界取向差高温合金样品的s-n曲线和疲劳强度进行预测。
13.上述步骤(1)中，高周疲劳试验温度根据构件的典型服役工况下的温度选取，且在试验过程中温度随服役时间恒定不变。
14.上述步骤(2)中，样品晶界类型根据构件制备过程中出现的晶界类型来确定，且双晶样品晶界类型保持一致。
15.上述步骤(3)中，高周疲劳试验一般采用高频疲劳试验机，也可根据材料特性和服役工况选择中低频疲劳试验机，高温加热方法一般采用电阻炉，疲劳强度采用升降法进行计算。
16.上述步骤(4)中，不同取向差样品的疲劳强度系数σ
′f和疲劳强度指数b基于公式(1)所示的basquin方程通过origin或excel等软件进行拟合直接获得；
17.σa＝σ
′f(2nf)bꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)。
18.上述步骤(5)中，不同取向差样品的疲劳强度系数σ
′f和疲劳强度指数b通过origin、excel等软件进行拟合直接获得。
19.上述步骤(5)中，疲劳强度系数和疲劳强度指数分别拟合如公式(2)和公式(3)，即获得了以晶界取向差θ为变量的疲劳强度系数σ
′f表达式和疲劳强度指数b表达式；
20.σ'f＝f(θ)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)；
21.b＝g(θ)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)；
22.公式(2)和公式(3)中：f(θ)和g(θ)通过软件拟合直接获取。
23.上述步骤(6)中，基于basquin关系，应力幅σa、疲劳寿命nf与晶界取向差θ定量关系式如公式(4)所示；
24.σa＝f(θ)
·
(2nf)
g(θ)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)。
25.上述步骤(6)中，对于连续下降型和疲劳极限型s-n曲线，按如下方式通过公式(4)计算特定晶界取向差下条件疲劳强度：
26.(a)对于连续下降型s-n曲线，直接将设定取向差和循环周次(例如：107)带入公式(4)，计算疲劳强度；
27.(b)对于疲劳极限型s-n曲线，直接将设定取向差和曲线拐点周次(例如：106)带入公式(4)，计算疲劳强度。
28.公式(4)转换形式表示为公式(5)；
[0029][0030]
利用公式(5)，可以通过设定晶界取向差和应力幅计算疲劳寿命，获得新的s-n曲线。
[0031]
本发明的优点和有益效果如下：
[0032]
1、本发明利用少量金属材料双晶高周疲劳试验数据，用以实现了不同晶界取向差下特定金属材料的高周疲劳性能预测。该方法即结合了大量试验数据拟合法准确性高的优点，另外又通过合理简化的公式推导，使得相关参数的物理意义更加明确，大大降低了试验
量需求，只需通过少量的不同晶界取向差样品的高周疲劳测试即可完成。
[0033]
2、本发明预测方法基于经典疲劳模型basquin关系，对金属材料不同晶界取向差的高周疲劳性能进行预测，具有良好的适用性。
[0034]
3、本发明预测模型通过大量试验数据拟合，简单合理的假设推导，具有物理意义明确、预测准确、适用性高的特点。
[0035]
4、本发明预测模型只需要少量金属材料双晶高周疲劳试验数据，就可以预测该材料在不同晶界取向差的高周疲劳性能，极大程度节约时间、人力和物力成本。
附图说明
[0036]
图1是金属材料在不同小角度晶界取向差条件下的高周疲劳性能预测方法流程图。
[0037]
图2是某种镍基单晶高温合金材料在不同晶界取向差条件下s-n曲线示意图。
[0038]
图3是某种镍基单晶高温合金小角度晶界取向差与s-n参数关系示意图；其中：(a)疲劳强度系数；(b)疲劳强度指数。
[0039]
图4是某种镍基单晶高温合金不同小角度晶界取向差条件下疲劳性能预测示意图；其中：(a)疲劳强度预测；(b)s-n曲线预测。
具体实施方式
[0040]
下面结合实施例和附图对本发明进一步说明。
[0041]
本发明为金属材料不同小角度晶界取向差条件下高周疲劳性能的预测方法，该方法在传统的basquin模型基础上，通过试验数据拟合、简单合理的推导，建立了简便的疲劳性能预测模型，预测流程如图1，具体如下：
[0042]
步骤(1)：分析构件的服役工况以及制备工艺流程，获取能够合理反映材料高周疲劳典型试验温度和晶界类型。
[0043]
步骤(2)：根据选定的晶界类型，通过特定方法(如双籽晶法)制备几种取向差不同的金属材料双晶样品，其取向差最好在小角度晶界范围以内变化，晶界类型相同。随后对双晶样品进行标准热处理。
[0044]
步骤(3)：选择构件材料典型服役温度，对取向差不同的几种样品进行恒温高周疲劳性能测试，获取不同晶界取向差样品的s-n曲线。
[0045]
步骤(4)：通过basquin关系拟合，获得不同晶界取向差下的疲劳强度系数σ
′f和疲劳强度指数b。
[0046]
步骤(5)：通过对步骤(4)数据进行拟合，分别建立疲劳强度系数σ
′f和疲劳强度指数b与晶界取向差θ之间的定量关系。
[0047]
步骤(6)：把步骤(5)中数据和参数带入basquin方程，建立应力幅σa、疲劳寿命nf和取向差θ三者之间的定量关系，进而对其他同类材料同类型晶界不同取向差下的s-n曲线和疲劳强度的准确预测。
[0048]
实施例1：
[0049]
本实施例是对镍基单晶高温合金(如dd405，dd406)不同小角度倾侧晶界取向差在980℃高周疲劳性能进行性能预测，工艺流程如图1，具体过程如下：
[0050]
第一、根据服役工况与铸造流程确定镍基单晶高温合金高周疲劳实验温度(为980℃)，选定晶界类型为倾侧晶界。
[0051]
第二、通过双籽晶法定向凝固制备4
°
、8
°
、12
°
不同小角度晶界取向差的四种样品，随后经过镍基单晶高温合金标准热处理。
[0052]
第二、疲劳强度测试方法选择升降法，应力幅增减量为20mpa，疲劳试验按照gb/t 3075—2008金属材料疲劳试验轴向力控制方法进行，疲劳强度的计算按照gb/t 24176—2009金属材料疲劳试验数据统计方案与分析方法来进行。四个不同晶界取向差样品s-n曲线示意图如图2。
[0053]
第三、建立单晶高温合金(如dd405，dd406)疲劳强度系数和指数与晶界取向差之间的关系，运用origin线性拟合，如图2所示呈现线性关系，所以其分别可以表达为公式(2)和公式(3)：
[0054]
σ'f＝f(θ)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)；
[0055]
b＝g(θ)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)；
[0056]
公式(2)和公式(3)中：f(θ)和g(θ)可拟合获得，疲劳强度系数和疲劳强度指数示意图如图3(a)和图3(b)。
[0057]
第四、建立应力幅σa、疲劳寿命nf和取向差θ三者之间的定量模型，即公式(4)和公式(5)：
[0058]
σa＝f(θ)
·
(2nf)
g(θ)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)；
[0059][0060]
第五、根据高周疲劳结果，s-n曲线普遍在10
6-107开始出现拐点，根据当前疲劳实验的s-n曲线结果，选择恰当的疲劳周次代入公式(4)，可以得到小角度晶界取向差和疲劳强度定量关系，示意图如图4(a)，可以看出新的模型可以较好预测镍基单晶高温合金不同小角度晶界取向差的疲劳强度。
[0061]
第六，根据公式(5)，建立新的s-n曲线，并与原basquin拟合结果进行对比，示意图如图4(b)，可以看出新的模型可以较好预测镍基单晶高温合金不同小角度晶界取向差的s-n曲线。