本发明涉及一种疲劳寿命预测方法，特别涉及一种基于小裂纹扩展的搅拌摩擦焊构件疲劳寿命预测方法，属于机械结构疲劳诊断分析技术领域。
背景技术
对于搅拌摩擦焊构件来说，焊接接头是整个结构中最薄弱的部分，焊接构件的主要失效形式是疲劳断裂。疲劳试样经历裂纹萌生、小裂纹扩展和长裂纹扩展的过程。其中，小裂纹的萌生及扩展阶段大约占疲劳寿命的70％～80％。在大多数情况下，由于材料本身固有的夹杂、硬化颗粒及微孔洞等初始微观缺陷或由于加工过程中受到碰撞、刻痕和腐蚀等而导致试样存在损伤。对搅拌摩擦焊接头来说，小裂纹的萌生寿命在疲劳全寿命中所占的比例较小，因此，略去这部分萌生寿命，而基于断裂力学理论和小裂纹的扩展规律来预测疲劳寿命会使预测结果更加可靠。
对于搅拌摩擦焊构件建立裂纹扩展模型时，需要考虑接头不同区域的微观组织变化等因素。由于搅拌摩擦焊焊接接头各区域微观组织及性能等材料参数均不相同，对于萌生在接头不同区域的小裂纹，受微观组织及性能影响，其小裂纹扩展规律并不同，很难用统一的公式进行寿命预测。在对搅拌摩擦焊构件进行疲劳寿命预测时，在疲劳断裂位置未知的情况下，如何基于不同区域的小裂纹扩展规律预测搅拌摩擦焊焊接接头的疲劳寿命。本发明基于搅拌摩擦焊焊接接头不同区域的小裂纹扩展规律，准确地预测搅拌摩擦焊构件的疲劳寿命，对焊接构件的安全服役具有理论意义和工程应用价值。
技术实现要素：
本发明的目的在于能基于小裂纹扩展规律，更简单、准确地预测搅拌摩擦焊构件的疲劳寿命。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案一种基于小裂纹扩展的搅拌摩擦焊构件疲劳寿命预测方法，该方法的具体步骤如下：
步骤1)：对焊接疲劳试样制成预期焊接接头出现裂纹区域为最小截面的骨状平板试样，开展在焊接接头不同区域的不同应力加载及不同应力比下的疲劳小裂纹扩展复型试验，采用割线法计算小裂纹扩展速率，公式如下：
其中δn为循环区间，δa为裂纹长度变化，ai为在循环数为ni时的裂纹长度；
步骤2)：采用new-raju模型，计算焊接接头小裂纹应力强度因子范围：
其中δs为应力范围，a为表面裂纹长度，q为形状因子，f为边界校正因子，c为裂纹深度，t为试样厚度，b为试样宽度，
形状因子q的计算根据第二类椭圆积分，公式如下：
f为无量纲边界校正因子，公式如下：
其中m1、m2、m3、fφ、g、fω用以下公式计算：
步骤3)：测量焊接接头不同区域断口形貌中的疲劳裂纹扩展区半圆弧状的深度方向c值和宽度方向a/2值，计算裂纹深长比2c/a，取不同区域2c/a的均值作为整体搅拌摩擦焊接头裂纹的深长比，
步骤4)：采用paris公式，两边取对数：
lg(da/dn)＝lgc+mlg(δk)(11)
其中c、m为常数，da/dn为裂纹扩展速率，δk为应力强度因子范围；
绘制小裂纹在焊接接头不同区域不同应力加载及不同应力比下裂纹扩展速率随应力强度因子范围变化的曲线；
步骤5)：计算有效应力强度因子，考虑裂纹闭合的有效强度因子δkeff的定义如下：
δkeff＝uδk(12)
其中u为裂纹闭合系数；
当应力比为r时，裂纹闭合系数为u(r)，加入闭合系数可引入应力比影响，使接头不同区域裂纹扩展速率与有效应力强度因子更趋近于线性关系；选用schijve提出的裂纹闭合系数公式：
u(r)＝0.55+0.33r+0.12r2(13)
步骤6)：以paris公式为基础，确定小裂纹扩展速率的表达式为：
根据小裂纹扩展速率和有效应力强度因子的对应数据拟合得到c*、m*。
步骤7)：初始裂纹尺寸a0和临界裂纹尺寸ac的确定；大多数小裂纹产生于材料的微观缺陷，取3-5个接头中不同区域的尺寸大于普通硬化、夹杂颗粒或表面微小凹坑一倍的上述微观缺陷的尺寸平均值作为初始裂纹尺寸a0；以试样厚度和接头断裂韧度对应的裂纹尺寸中的较小值作为临界裂纹尺寸ac；其中通过试验得到材料的断裂韧度kc，计算公式如下：
其中y为裂纹形状系数，σc为断裂应力；
步骤8)：对公式(14)进行积分，得到焊接构件的疲劳寿命，公式如下：
有益效果
本发明的有益效果在于：本发明一种基于小裂纹扩展的搅拌摩擦焊构件疲劳寿命预测方法，对于萌生在接头不同区域的小裂纹，不需考虑接头不同区域微观组织及性能影响，将接头不同区域的裂纹扩展数据采用统一公式进行处理。在疲劳断裂位置未知的情况下，能够基于不同区域的小裂纹扩展规律预测不同应力加载及不同应力比下搅拌摩擦焊接头的疲劳寿命，计算方式更加简单、准确。
附图说明
图1为本发明一种基于小裂纹扩展规律的搅拌摩擦焊构件疲劳寿命预测方法流程图。
图2为本发明表面裂纹的几何形状示意图。
图3为本发明实施例1中不同应力比下试件主裂纹扩展速率随应力强度因子范围变化曲图。
图4为本发明实施例1中裂纹扩展速率随有效应力强度因子范围变化曲线图。
图5为本发明实施例1中7075铝合金搅拌摩擦焊接头寿命预测图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步说明，但本发明并不限于以下实施例。
如图1所示，一种基于小裂纹扩展的搅拌摩擦焊构件疲劳寿命预测方法的具体实施方式如下：
步骤1)：对焊接疲劳试样制成预期出现裂纹区域为最小截面的骨状平板试样，开展在接头不同区域的不同应力加载及不同应力比下的疲劳小裂纹扩展复型试验，采用割线法计算小裂纹扩展速率，公式如下：
其中δn为循环区间，δa为裂纹长度变化，ai为在循环数为ni时的裂纹长度；
步骤2)：采用new-raju模型，计算焊接接头小裂纹应力强度因子范围：
其中δs为应力范围，a为表面裂纹长度，q为形状因子，f为边界校正因子，c为裂纹深度，t为试样厚度，b为试样宽度，
形状因子q的计算根据第二类椭圆积分，公式如下：
f为无量纲边界校正因子，公式如下：
其中m1、m2、m3、fφ、g、fω用以下公式计算：
步骤3)：测量焊接接头不同区域断口形貌中的疲劳裂纹扩展区半圆弧状的深度方向c值和宽度方向a/2值，计算裂纹深长比2c/a，取不同区域2c/a的均值作为整体搅拌摩擦焊接头裂纹的深长比，
步骤4)：采用paris公式，两边取对数：
lg(da/dn)＝lgc+mlg(δk)(11)
其中c、m为常数，da/dn为裂纹扩展速率，δk为应力强度因子范围；
绘制小裂纹在接头不同区域不同应力加载及不同应力比下裂纹扩展速率随应力强度因子范围变化的曲线。
步骤5)：计算有效应力强度因子，考虑裂纹闭合的有效强度因子δkeff的定义如下：
δkeff＝uδk(12)
其中u为裂纹闭合系数；
当应力比为r时，闭合系数为u(r)，加入闭合系数可引入应力比影响，使接头不同区域裂纹扩展速率与有效应力强度因子更趋近于线性关系。选用schijve提出的裂纹闭合系数公式：
u(r)＝0.55+0.33r+0.12r2(13)
步骤6)：以paris公式为基础，确定小裂纹扩展速率的表达式为：
根据小裂纹扩展速率和有效应力强度因子的对应数据拟合得到c*、m*。
步骤7)：初始裂纹尺寸a0和临界裂纹尺寸ac的确定。大多数小裂纹产生于材料的微观缺陷，取3-5个接头中不同区域的尺寸大于普通硬化、夹杂颗粒或表面微小凹坑一倍的上述微观缺陷的尺寸平均值作为初始裂纹尺寸a0。以试样厚度和接头断裂韧度对应的裂纹尺寸中的较小值作为临界裂纹尺寸ac。通过试验得到材料的断裂韧度kc，计算公式如下：
其中y为裂纹形状系数，σc为断裂应力；
步骤8)：对公式(14)进行积分，得到焊接构件的疲劳寿命，公式如下：
以下通过具体实施例进一步说明本方法：
实例1：基于小裂纹扩展的7075铝合金搅拌摩擦焊接头疲劳寿命预测
(1)制备7075铝合金搅拌摩擦焊疲劳试样，开展在接头不同区域的不同应力加载及应力比为0.1和-0.3的疲劳小裂纹扩展复型试验，采用割线法计算小裂纹扩展速率；(2)采用new-raju模型，计算焊接接头小裂纹应力强度因子范围；(3)测量焊接接头不同区域断口形貌中的疲劳裂纹扩展区半圆弧状的深度方向c值和宽度方向a/2值，计算裂纹深长比2c/a的平均值约为0.9；(4)绘制不同应力比及不同应力水平下裂纹扩展速率随应力强度因子范围变化的曲线，如图3所示；(5)选用schijve提出的裂纹闭合系数公式，计算有效应力强度因子，裂纹扩展速率随有效应力强度因子范围变化曲线如图4所示；(6)以paris公式为基础，确定小裂纹扩展速率公式；(7)取5个接头中不同区域的尺寸大于普通硬化、夹杂颗粒或表面微小凹坑一倍的上述微观缺陷的尺寸平均值作为初始裂纹尺寸，本实验所得的7075铝合金搅拌摩擦焊接头初始裂纹尺寸取为10μm。以试样厚度和接头断裂韧度对应的裂纹尺寸中的较小值作为临界裂纹尺寸，本实验中疲劳试样厚度小于试验测得的断裂韧度对应的裂纹尺寸，取试样厚度作为临界裂纹尺寸；(8)对小裂纹扩展速率公式进行积分，7075铝合金搅拌摩擦焊接头寿命预测图如图5所示。大部分试件的预测寿命与试验寿命相比误差在两倍因子之内，寿命预测效果良好。