专利名称：结构钢低载强化特性的确定方法
技术领域：
本发明涉及一种结构钢低载强化特性的确定方法，尤其是一种用于抗拉强度范围从200MPa到2300Mpa的结构钢低载强化特性的确定方法。
背景技术：
低于疲劳极限的低幅载荷对强度(包括静强度和疲劳强度)的强化现象(又称次载锻炼或低载强化)早已引起人们的注意。所谓低载强化，是指让试件经受一定次数的较低的载荷反复作用(锻炼)后，试件强度得到强化或提高的现象。以前只针对这种现象进行研究，没有系统的提出材料或结构的低载强化特性，因此很难直接使用。
结构钢的低载强化特性指材料或结构在低于疲劳极限以下的强化载荷锻炼下，材料或结构的疲劳强度和疲劳寿命变化规律，具体包括强化载荷与强化后疲劳寿命之间的数学关系；低载强化次数和强化后疲劳寿命之间的数学关系；强化载荷、低载强化次数和强化后疲劳寿命之间的三维数学关系，即低载强化空间曲面。
在现有的疲劳损伤理论中，人们常常将损伤的难以计算和计算不准归结为载荷次序的交互影响。实际上，除了载荷次序的影响难以考虑以外，低载强化的忽略也是寿命估计不准的一个重要因素。事实上，在随机载荷环境下，结构的强度在不断的发生强化和弱化，对于某个给定等级的载荷，其对结构或材料造成的损伤或强化与其作用时强度的当前值关系很大。过去在处理载荷谱或寿命计算时，把低于疲劳极限或相当于疲劳极限的某个比例的低幅载荷人为的删去，从损伤计算和加速试验两方面看是对的。有时低于疲劳极限的某些载荷的确也会造成损伤，但是适当的次载锻炼有可能提高疲劳强度却未在描述疲劳过程时加以考虑。因此，可以得到，如果不能掌握材料或结构的低载强化特性，就不能在设计中和实际使用中考虑材料或结构的低载强化，使材料的固有潜能不能得到充分的发挥。
当我们知道了材料或结构的低载强化特性后，就可以在设计时有目的的将结构的最佳强化应力与其主要使用载荷相对应，随着使用时间和过程的推移，结构的疲劳强度不断得到强化和提高。因此，可以通过对传统材料在疲劳强度理论研究和低载强化特性掌握基础上实现结构可靠性方面的优化设计。它以保证使用可靠性为目标，可以使传统材料或新材料的强度潜力得到充分发挥，实现结构的轻量化，同时成本降低。
发明内容
本发明的目的是要提供一种结构钢低载强化特性的确定方法，该方法能得到结构钢的低载强化特性是实现结构轻量化设计的重要依据之一。
本发明技术方案，一种结构钢低载强化特性的确定方法，其特点是，方法步骤为第一、测量结构钢在中寿命的S-N曲线；第二、低载强化的定性实验，通过不同大小的低幅载荷进行强化试验，得到具有强化效果的载荷的大致区间范围和强化后寿命提高的大致趋势；第三、低载强化的定量实验，在给定载荷下采用不同的强化次数进行强化试验，得到强化效果最好(即疲劳寿命最高)的最小强化次数。
第四、低载强化数值试验，根据低载强化定量定性试验、数值插值以及曲面拟合，得到结构钢的低载强化特性，包括强化载荷与强化后疲劳寿命之间的数学关系；低载强化次数和强化后疲劳寿命之间的数学关系；强化载荷、低载强化次数和强化后疲劳寿命之间的三维数学关系，即低载强化空间曲面。
本发明的有益效果是通过本方法掌握了材料的低载强化特性，可以在设计时有目的的将结构的最佳强化应力与该结构的主要使用载荷相对应，随着使用时间和过程的推移，结构的疲劳强度不断得到强化或提高，可以大大降低疲劳强度衰减的速度，延长使用寿命。为急需开展的结构轻量化设计提供理论依据和技术支持，为提升我国的现代化设计水平打下基础，为社会创造巨大的经济效益。
图1是低载强化三维空间曲面；图中x方向为强化载荷(kN)，y方向为强化次数(105次)，z方向为强化后的疲劳寿命(105次)。
具体实施例方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步的说明。
为了消除材质、尺寸、表面加工、工艺处理等方面引起的差异，增加针对性，以高强度齿轮为例对结构钢低载强化特性的确定方法进行描述。
齿轮的材料为Mn-Cr钢。齿轮模数2.3mm，齿数20，压力角17.5°，变位量1.5。表面采用碳氮共渗工艺强化，渗层深度0.5mm。齿面硬度58～62，心部硬度为HRC40。单齿弯曲屈服强度1700MPa，极限强度2300MPa。疲劳试验在Amsler HFP100型高频疲劳试验机上进行，加载频率为74Hz，循环比r＝0.11，加载精度为0.001kN。
1、结构钢低载强化特性参数的确定步骤(1)测量结构钢在中寿命的S-N曲线；(2)低载强化的定性实验，通过不同大小的低幅载荷进行强化试验，得到具有强化效果的载荷的大致区间范围和强化后寿命提高的大致趋势；(3)低载强化的定量实验，在给定载荷下采用不同的强化次数进行强化试验，得到强化效果最好(即疲劳寿命最高)的最小强化次数；(4)低载强化数值试验，根据低载强化定量定性试验、数值插值以及曲面拟合，得到结构钢的低载强化特性，包括强化载荷与强化后疲劳寿命之间的数学关系；低载强化次数和强化后疲劳寿命之间的数学关系；即低载强化的三维空间曲面。
2.具体实例验证
(1)S-N曲线测定对于结构钢S-N曲线的中寿命段在对数坐标下为直线，理论上有两个精确的点就可以确定中寿命段的S-N曲线。试验时选取高低两级载荷进行疲劳寿命试验。按估计平均寿命为1×105、3×105次对载荷进行选取，小载荷的当量幅值取4.684kN；大载荷的当量幅值取4.889kN。每组试验7～11个齿。试验结果见表1。
表1 S-N曲线测定试验数据
注1kN相当于86.35MPa。
由表1中的试验数据拟合成载荷-寿命曲线(P-N曲线)和应力-寿命曲线(S-N曲线)的表达式如下P＝7.7912-0.5747lgNS＝676.9075-50.4767lgN式中，P—载荷(kN)，N—疲劳寿命(次)，S—应力(MPa)。
为了验证S-N曲线在整个中寿命区的准确性，用式(1)估算60万次对应的载荷幅值为4.470kN(385.985MPa)，用该载荷对齿轮进行验证试验，验证寿命为675300次。计算值与试验值之间的误差为12.55％，说明得到的S-N曲线有较高的可信度。
对于汽车零件，常用2×106次寿命对应的应力作为弯曲疲劳极限，由式(1)可以得到200万次寿命的对应载荷(当量幅值)为4.170kN(360.08MPa)，我们以此载荷作为该齿轮的弯曲疲劳极限，并作为低载强化定性试验中选取小载荷的参考基准。
(2)低载强化定性试验先给定的小载荷强化30万次，再在大载荷下验证寿命的变化。根据得到的齿轮疲劳极限载荷，锻炼小载荷的当量幅值取3.127kN～3.962kN，相当于在0.75～0.95σ-1附近进行锻炼，验证高载荷的当量幅值取4.889kN。试验结果如表2。
表2 低载强化定件试验结果
从表2中可以看出，当强化载荷幅值为3.336kN～3.962kN时，大载荷所对应的寿命均大于S-N曲线上同样载荷下的平均寿命，证明了强化区间的存在。
幅值为3.545kN的载荷有最好的强化效果。强化载荷幅值为3.127kN时，未对齿轮产生强化，但也未使齿轮产生损伤，说明载荷低于3.127kN的载荷可按小载荷处理，即在进行随机疲劳试验或进行寿命估算时可以删去。表2中，载荷为3.127kN时对应的寿命低于S-N曲线上4.889kN对应的平均寿命，主要是因为试件强度分散性的存在。
由此，就可以初步认为，有强化效果的载荷区域大致位于3.127kN～3.962kN的范围之内，而小于3.127kN的载荷将属于无效载荷，它们既不产生强化也不造成损伤。
(3)低载强化定量试验通过试验，考察不同的强化次数对强化效果的影响，同时寻找具有最佳强化效果下的强化次数。为此，选择定性试验中强化效果较明显的载荷为强化载荷，本试验选择当量幅值为3.327kN作为强化载荷，选择不同的锻炼次数，即2×105、3×105、4×105，分别对不同试样(每3个为一组)进行强化试验。然后在大载荷下验证寿命的变化，选取的验证载荷与低载强化定性试验相同。试验结果见表3。
表3 低载强化定量试验结果
从表3中可以看到，强化次数在区间[200000，300000]内效果明显，随着次数的增加强化效果越来越显著。在40万次强化之后，平均寿命只有149000，表明在30万次之后，强化效果呈整体下降趋势。强化次数为30万次具有相对来说最好的强化效果，次数在[200000，380000]范围内都可以使强化后的疲劳寿命提高55％以上。
(4)数值试验A.定性试验从表2中可知，可以初步认为，有强化效果的载荷区域大致位于3.12kN到3.96kN之间，小于3.12kN的载荷将属于无效载荷，它们既不产生强化也不造成损伤，可按小载荷处理，疲劳试验时可以删去。
表2中的5个试验数据覆盖了从无效载荷到强化最佳载荷再到次佳强化载荷区域。为了描述此段载荷对强化后疲劳寿命的影响程度及其定量关系，需要通过插值增加数据。
通过数值插值和多项式拟合。并经过反复对比，发现5次多项式可以较好的描述强化载荷与强化寿命的关系，即
z＝-20.648x4+300.99x3-1645.9x2+4000.7x-3644.2式中，z—强化后的疲劳寿命(105次)，x—强化载荷(kN)。
具有强化效果的载荷区间为3.12kN到3.94kN，最佳强化载荷为3.53kN。
强化后的平均验证最长寿命对应原有S-N曲线的当量载荷幅值4.70kN，即强化前当量载荷幅值4.70kN与强化后当量载荷幅值4.89kN的载荷具有相同的寿命，说明疲劳强度得到了提高，提高的最大比例为4.04％。
B.定量试验从表3中可知，强化次数在20到30万次之间，最佳强化载荷(3.53kN)随着载荷强化次数的增加，强化效果越来越显著；当强化次数超过40万次后，平均寿命只有14.9万次。这表明强化次数超过30万次之后，强化效果呈整体下降趋势。
表3中的4个数据覆盖了从无效强化次数到最佳强化次数再到次佳强化次数区域。同样，在表3数据的基础上，通过插值增加数据，并用最小二乘法进行多项式拟合。得到7次多项式具有比较好的拟合强化次数与强化寿命的关系，即z＝0.0101y7-0.2896y6+3.3148y5-19.869y4+67.728y3-131.94y2+137.17y-57.475式中，z-强化后的疲劳寿命(105次)，y—强化次数(105次)。
最佳强化次数为30万次，强化后其疲劳寿命所能提高的最大比例为100.9％。
通过低载强化的数值试验建立了两个一元函数关系，它们反映了强化次数一定时，疲劳寿命与强化载荷之间，以及强化载荷一定时，疲劳寿命与强化次数之间的数学关系。
为了更直观地表示疲劳寿命是由强化载荷以及强化次数共同作用的结果，必须建立出低载强化的三维空间曲面(图1)，全面考虑疲劳寿命提高的最大比例。作以下两点假设●低载强化空间曲面在强化区域内，垂直于y轴(强化次数)的所有切面上均为4次曲线，且曲线最高点的x轴上坐标相同。
●低载强化空间曲面在强化区域内，垂直于x轴(强化载荷)的所有切面上均为7次曲线。
在以上假设的基础上，通过插值，得到低载强化空间曲面的离散点三维坐标，结果见表4。
表4 低载强化三维空间曲面试验数据 利用软件对表3中的数据进行曲面拟合，就可以得到描述疲劳寿命随着低载强化载荷以及强化次数的改变而发生变化的低载强化空间强化规律。拟合出的曲面方程为lnz=a+bx2+cx2lnx+dxlnx+elny]]>+fy+gy1.5+hlnyy2+iy2]]>式中，z-强化后的疲劳寿命(105次)，x—强化载荷(kN)，y—强化次数(105次)。拟合曲面方程的参数及其统计值见表5，拟合的曲面如图1所示。
表5 强化曲面方程的参数
权利要求
1.一种结构钢低载强化特性参数的确定方法，其特征在于第一、测量结构钢在中寿命的S-N曲线；第二、低载强化的定性实验，通过不同大小的低幅载荷进行强化试验，得到具有强化效果的载荷的区间范围和强化后寿命提高的大致趋势；第三、低载强化的定量实验，在给定载荷下采用不同的强化次数进行强化试验，得到疲劳寿命最高的最小强化次数；第四、低载强化数值试验，根据低载强化定量定性试验、数值插值以及曲面拟合，得到结构钢的低载强化特性，包括强化载荷与强化后疲劳寿命之间的数学关系；低载强化次数和强化后疲劳寿命之间的数学关系；强化载荷、低载强化次数和强化后疲劳寿命之间的三维数学关系，即低载强化空间曲面。
全文摘要
本发明公开了一种结构钢低载强化特性的确定方法，其步骤是1.测量结构钢在中寿命的S－N曲线；2.低载强化的定性实验，通过不同大小的低幅载荷进行强化试验，得到具有强化效果的载荷的大致区间范围和强化后寿命提高的大致趋势；3.低载强化的定量实验，在给定载荷下采用不同的强化次数进行强化试验，得到强化效果最好(即疲劳寿命最高)的最小强化次数；4.低载强化数值试验，根据低载强化定量定性试验、数值插值以及曲面拟合，得到结构钢的低载强化特性，包括强化载荷与强化后疲劳寿命之间的数学关系；低载强化次数和强化后疲劳寿命之间的数学关系；强化载荷、低载强化次数和强化后疲劳寿命之间的三维数学关系，即低载强化空间曲面。
文档编号G01N3/08GK1821742SQ200610024988
公开日2006年8月23日 申请日期2006年3月23日 优先权日2006年3月23日
发明者郑松林, 卢曦, 方伟荣, 褚超美 申请人:上海理工大学