一种金属材料的疲劳强度快速优化方法

本发明涉及材料科学与工程应用，具体涉及一种金属材料的疲劳强度快速优化方法。

背景技术：

1、金属疲劳是构件最常见的失效形式。随着我国对大型工业构件性能需求要求不断提高，原有金属材料载体已经不能满服役强度需求。尤其疲劳强度过低所引起失效事故。因此对金属材料疲劳强度的优化对于工业生产具有重要意义。

2、金属材料的疲劳强度与抗拉强度不呈现一般的线性规律，特别是在高强度材料领域。由于组织缺陷的对疲劳性能的影响导致高强度金属材料的抗拉与疲劳强度反应出异常关系。这对优化疲劳强度的方法提出了新的启示。即可以根据疲劳强度与抗拉强度的抛物线关系搜寻疲劳强度理论最优值，以此为参考通过控制对应的抗拉强度水平来间接实现疲劳强度优化。相比于传统的疲劳强度优化方案，这避免了出现由抗拉强度的过度优化引起疲劳强度过临界值而导致优化效率低的情况。结合抗拉性能与疲劳强度的关系，通过调节抗拉强度以获得对应的最优疲劳强度，可以极大程度降低优化成本与时间，并且保证了优化效果。

技术实现思路

1、为了实现对金属材料疲劳强度的优化，本发明提供了一种金属材料的疲劳强度快速优化方法。通过优化工艺结合金属材料抗拉与疲劳强度之间的非线性关系，实现一种金属材料疲劳强度最优值的获得手段。该方法综合了考虑了金属材料的工艺优化程序与抗拉和疲劳强度指标，同时优化工艺目的明确，无复杂的公式推导计算。

2、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

3、一种金属材料的疲劳强度快速优化方法，该方法具体包括如下步骤：

4、(1)对待优化金属材料进行抗拉强度优化，以获得具有不同抗拉强度的两组金属材料样品(同系列金属材料)；其中，通过查阅文献了解待优化金属材料的抗拉强度优化方法及变化范围，选择合适工艺制备具有典型抗拉强度的两组金属材料；抗拉强度优化方法为热处理工艺和制备手段等中的一种或几种，以能够获得较大抗拉强度差的同系列不同状态材料为目的。

5、(2)对步骤(1)经过抗拉强度优化的两组金属材料样品进行轴向拉伸与疲劳实验，分别获得抗拉强度σb与疲劳强度σw；通过公式r＝σw/vb计算两组金属材料样品的疲劳比，再通过疲劳比r与抗拉强度σb的线性关系拟合公式获得拟合参数c和p值；其中：疲劳比r与抗拉强度σb的线性关系拟合公式如公式(1)所示；

6、r＝c-p×σb   (1)；

7、公式(1)中：r为材料疲劳比，σb为抗拉强度，c和p是与材料有关的常数。

8、(3)将公式(1)等号两端同乘σb，获得金属材料的疲劳与抗拉强度之间的抛物线关系公式(2)：，根据该疲劳与抗拉强度之间的抛物线关系能够初步了解材料疲劳强度变化趋势、最高疲劳强度及最高疲劳强度对应的抗拉强度(临界抗拉强度)；

9、σw＝(c-p×σb）×σb   (2)。

10、(4)对步骤(1)中待优化金属材料进行抗拉强度优化，以获得与步骤(3)中临界抗拉强度值相近的一组金属材料样品，对这组金属材料样品进行轴向拉伸与疲劳试验，将试验获得的抗拉强度σb与疲劳强度σw作为验证数据，来验证试验所得疲劳强度是否与利用公式(2)抛物线关系计算出的疲劳强度理论值误差小于10％；

11、(5)若超出误差范围(误差大于等于10％)，将步骤(4)所得验证数据加入公式(1)中作为拟合参考量，计算新出的c和p值并得到调整后的抛物线关系公式(2)；再重复步骤(3)-(4)进行重新验证；直至试验所得疲劳强度与利用公式(2)抛物线关系计算出的疲劳强度理论值误差小于10％；从而得到材料疲劳强度的最优值和相应的优化方法。

12、进一步地，步骤(4)进行抗拉强度优化的方法同步骤(1)

13、进一步地，步骤(4)中，优化手段以获得抛物线关系中理论最高疲劳强度及对应的抗拉强度(临界抗拉强度)为基准。

14、本发明的优点和有益效果如下：

15、1、本发明提出了参考静态力学性能来优化疲劳强度。一般金属材料的疲劳优化方法源于提升材料自身强度，然而普遍材料的疲劳强度并不会始终随着抗拉强度成一般线性关系，因此这种优化方法存在优化过临界值现象。本发明在通过对金属材料的强化工艺调控中注重材料的抗拉与疲劳强度抛物线关系，控制抗拉强度趋于疲劳强度极值，实现疲劳强度优化。

16、2、本发明在同类别金属材料中的不同微观组织与不同状态下均具有良好的普适性。由疲劳比与抗拉强度所拟合的材料常数c,p对同类材料具有统一适用性。因此通过有限的力学性能测试就能获得材料的c,p常数，可以将同种材料的各种状态下的拉伸与疲劳性能相互联系。该方法不仅减少了必要的重复优化步骤，还实现了对不同强度铸铁间抗拉与疲劳性能的相互关系探索，进而为材料的抗疲劳优化提供了参考价值。

17、3、本发明对材料的疲劳强度优化更具有目标性。在进行抗拉强度调控时可以准确把握其疲劳强度最值，并依据性能关系评估疲劳强度优化结果。该方法不仅在强度优化中起到重要作用，还为材料优化后的疲劳强度评估提供指导，体现了该理论的双重优势。

技术特征：

1.一种金属材料的疲劳强度快速优化方法，其特征在于：该方法具体包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的金属材料的疲劳强度优化方法，其特征在于：步骤(1)中，通过查阅文献了解待优化金属材料的抗拉强度优化方法及变化范围，选择合适工艺制备具有典型抗拉强度的两组金属材料；抗拉强度优化方法为热处理工艺和制备手段等中的一种或几种，以能够获得较大抗拉强度差的同系列不同状态材料为目的。

3.根据权利要求1所述的金属材料的疲劳强度优化方法，其特征在于：步骤(2)中，疲劳比r与抗拉强度σb的线性关系拟合公式如公式(1)所示；

4.根据权利要求1或3所述的金属材料的疲劳强度优化方法，其特征在于：将步骤(2)中疲劳比r与抗拉强度σb的线性关系拟合公式(公式(1))的等号两端同乘σb，即获得金属材料的疲劳与抗拉强度之间的抛物线关系如公式(2)所示：

5.根据权利要求1所述的金属材料的疲劳强度优化方法，其特征在于：步骤(4)进行抗拉强度优化的方法同步骤(1)。

6.根据权利要求1所述的金属材料的疲劳强度优化方法，其特征在于：步骤(4)中，优化手段以获得抛物线关系中理论最高疲劳强度及对应的抗拉强度(临界抗拉强度)为基准。

技术总结
本发明公开了一种金属材料的疲劳强度快速优化方法，属于材料科学与工程应用技术领域。该方法为：(1)对待优化金属材料进行抗拉强度优化获得不同抗拉强度的两组样品；(2)通过试验获得抗拉强度与疲劳强度，通过公式(1)获得C和P值；(3)通过金属材料疲劳与抗拉强度的抛物线关系公式(2)获得临界抗拉强度；(4)对待优化金属材料进行抗拉强度优化，获得与临界抗拉强度值相近的金属材料样品，对这组金属材料样品的抗拉强度与疲劳强度作为验证数据，来验证试验所得疲劳强度与利用公式(2)计算出的疲劳强度理论值误差是否小于10％，如小于10％；得得到能够获得材料疲劳强度最优值的相应的抗拉强度优化方法。

技术研发人员：庞建超,腾晓远,高崇,陈宇,邹成路,谭炳治,李守新,张哲峰
受保护的技术使用者：中国科学院金属研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14