一种材料的蠕变-疲劳寿命预测方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及寿命预测领域，尤其涉及一种材料的蠕变-疲劳寿命预测方法。
【背景技术】
[0002] 在能源动力、石油化工和航空航天等领域中，许多结构部件长期运行在高温条件 下受应变波形控制，循环失效周次往往不足IO 5次，即，在高温低周疲劳载荷下，其寿命往往 受到蠕变、疲劳和蠕变疲劳交互作用等多种机制的制约。而蠕变疲劳交互作用条件下材料 的寿命预测是材料结构完整性中最为重要的一个环节之一，因此对蠕变-疲劳寿命预测研 究是非常有意义的。
[0003] 自20世纪50年代以来，国内外学者在对材料在蠕变-疲劳交互作用下破坏行为 的研究方面进行了大量的研究工作，相继提出了百余种蠕变疲劳寿命预测模型。一些寿命 预测模型受到了材料条件和试验条件的限制，影响材料蠕变疲劳交互作用寿命的因素有很 多，例如温度、总应变范围和保持时间等。目前用于蠕变疲劳寿命预测的常见模型有频率 修正模型、应变范围区分方法、时间分数模型和延性耗竭模型。其中，频率修正模型是经典 Manson-Coffin方程关于保持时间的延伸，但是此模型仅粗略考虑了频率以及塑性应变范 围对寿命的影响，并未从机理上解释蠕变效应对蠕变-疲劳寿命的影响；虽然应变范围区 分方法已经形成了一套比较成熟的理论体系，并且衍生出了应变能范围区法等模型，但是 它依然以纯唯象的方法为基础，缺乏物理意义并且其参数拟合的步骤较为复杂；时间分数 模型和延性耗竭模型也以线性累积损伤为基础，这类方法存在物理意义并且通过损伤交互 图可以较好地运用于结构部件中，但是时间分数模型的寿命预测结果往往过于非保守而延 性耗竭模型又过于保守。
[0004] 由此可见，现在迫切需要研究一种新的蠕变-疲劳寿命预测方法，以满足蠕变-疲 劳试验精度需求以及受蠕变-疲劳载荷工况的工程部件定寿需求。
【发明内容】
[0005] 为了解决上述现有技术存在的不足，本发明旨在提供一种基于应变能密度耗散法 以及线性累计损伤法则的蠕变-疲劳寿命预测方法，以更好地实现材料在蠕变-疲劳交互 作用下的寿命预测。
[0006] 为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0007] -种材料的蠕变-疲劳寿命预测方法，包括以下步骤：
[0008] 步骤S1，在同一试验温度下分别进行材料的蠕变试验、疲劳试验和蠕变-疲劳交 互试验，并且所述疲劳试验和所述蠕变-疲劳交互试验在同一应变速率和总应变范围下进 行；
[0009] 步骤S2,根据所述蠕变试验的结果，建立双对数坐标下所述材料的失效应变能密 度Wf与非弹性应变能密度耗散率之间的函数关系；
[0010] 步骤S3,根据所述疲劳试验的结果，获取所述材料在所述试验温度、应变速率和总 应变范围下每周次的疲劳损伤df;
[0011] 步骤S4,根据所述蠕变-疲劳交互试验的结果，得到所述材料在半寿命周次下的 滞后回线，并建立所述材料在最大拉伸应变保持时间内半寿命周次下的应力σ (t)随时间 t变化的函数关系；
[0012] 步骤S5,根据所述失效应变能密度Wf与非弹性应变能密度耗散率也之间的函数 关系、所述每周次的疲劳损伤df、以及所述在最大拉伸应变保持时间内半寿命周次下的应 力σ (t)随时间t变化的函数关系，并结合半寿命周次下的所述滞后回线，计算得到半寿命 周次下的蠕变损伤d。；
[0013] 步骤S6,利用线性累积损伤法则，根据所述材料每周次的疲劳损伤df以及半寿命 周次下的蠕变损伤d。预测所述材料在蠕变-疲劳交互作用下的蠕变-疲劳寿命 Q
[0014] 进一步地，所述步骤S2中建立的所述失效应变能密度wf与所述非弹性应变能密 度耗散率之间的函数关系表示为：
[0015] ⑴，：
[0016] 在式（1)中，BJP n i分别表示与温度无关的两个材料线性回归常数，T表示所述 蠕变试验的试验温度，Q表示在所述试验温度下的热激活能，R表示通用气体常数，为恒定 值 8. 314X10 3kX/(K · mol)，其中，
[0017]
[0018] (3)，
[0019] 在式⑵和式⑶中，〇表示所述蠕变试验中施加的蠕变应力值，ε ￡和tR分别 表示所述蠕变试验中获取的真蠕变延性和蠕变断裂时间。
[0020] 进一步地，所述步骤S3包括通过式（5)计算所述材料每周次的疲劳损伤df:
[0021]
(5),
[0022] 在式（5)中，N。表示所述材料在所述疲劳试验的试验条件下的疲劳寿命。
[0023] 进一步地，在所述步骤S4中建立的所述材料在最大拉伸应变保持时间内半寿命 周次下的应力σ (t)随时间t变化的函数关系表示为：
[0024]
[0025] 在式（6)中，〇。、Δ %和t分别表示半寿命周次下的最大应力、塑性应变范围以 及最大拉伸应变保持时间，A和B分别表示依赖于材料特征的线性回归常数。
[0026] 进一步地，所述步骤S5包括：
[0027] 步骤S51，根据半寿命周次下的所述滞后回线计算所述材料的非弹性应变能密度 Win，表不为： _8]
(7)，
[0029] 在式（7)中，E表示所述材料在所述蠕变-疲劳交互试验的试验温度下的弹性模 量；
[0030] 步骤S52,对非弹性应变能密度Win进行修正，修正后的非弹性应变能密度μΓ"#: 表示为：
[0031]
[0032] 在式（8)中，表示所述材料在半寿命周次下的平均应力；
[0033] 步骤S53,对式⑶进行微分，得到修正后的非弹性应变能密度耗散率
[0034]
[0035] 在式（9)中，#表示所述材料在最大拉伸应变保持时间内半寿命周次下的应力松 弛率；
[0036] 步骤S54,对式（6)进行微分，得到：
[0037]
[0038] 步骤S55,将式（6)和（10)代入式（9)，得到：
[0039]
[0040]
[0041] 步骤S56,当所述蠕变试验中不存在临界失效应变能密度wf。时，通过式（12a)计 算半寿命周次下的所述蠕变损伤d。：
[0042]
[0043] 当所述懦变试验中存在所述临界失效应变能密度wf。时，通过式（12b)计算半寿命 周次下的所述蠕变损伤d。：
[0044]
[0045] 步骤S57,将式（1)和（11)代入式（12a)得到所述蠕变试验中不存在临界失效应 变能密度w f。时的所述蠕变损伤d
[0046]
[0048]
[0047] 将式⑴和（11)代入式（12b)得到所述蠕变试验中存在临界失效应变能密度wf。 时的所述蠕变损伤d。：
[0049] ?
[0050] 进一步地，在所述步骤S6中，根据所述线性累积损伤法则，得到所述材料在蠕 变-疲劳交互作用下的蠕变-疲劳寿命iV；:
[0051]
[0052] 将式⑴以及（13a)代入式（14)，得到所述蠕变试验中不存在临界失效应变能密 度w f。时对应的蠕变-疲劳寿命< :
[0053]
[0054] 或者，将式（1)以及（13c)代入式（14)，得到所述蠕变试验中存在临界失效应变能 密度w f。时对应的蠕变-疲劳寿命:
[0055]
[0056]
[0057] 本发明与现有技术相比具有如下优点：
[0058] 1)能够更加精确地预测材料在蠕变疲劳交互作用下的寿命，并且考虑到了失效应 变能密度公式，平均应力以及应力松弛行为等三个方面的因素；
[0059] 2)本发明以能量准则为基础，有清晰的物理意义；
[0060] 3)本发明具