一种基于试件表面温度演化分析的金属疲劳寿命预测方法

摘要

本发明公开了一种基于试件表面温度演化分析的金属疲劳寿命预测方法。根据疲劳失效后试件自然冷却阶段的温升值演化曲线计算相应的热散失率演化曲线。将温升值演化曲线和热散失率演化曲线结合分析，获得表示试件与外部环境之间热交换的热散失率和温升值对应关系。根据这种对应关系确定临界温升值。以临界温升值为标准确定初始温度上升阶段选取范围，准确计算初始温升斜率，进而确定预测模型参数，对金属材料的疲劳寿命进行预测。本发明解决了现有相关技术不能准确测定初始温升斜率的关键基础问题，同时具有快速、经济、准确等优点，是一种先进高效的金属材料疲劳性能分析检测新技术。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于试件表面温度演化分析的金属疲劳寿命预测方法，属于金属疲劳寿命预测方法技术领域。

背景技术

疲劳破坏是引起工程结构失效的最主要原因，工程结构中因疲劳失效引起破坏事故占失效总数的80％以上。另一方面，疲劳破坏事故又具有突然性。结构在发生疲劳失效之前往往没有明显的塑性变形，使得疲劳破坏事故难以通过检测手段进行预防。因此，在设计和生产制造之前对材料的疲劳性能进行有效的评估就显得非常重要。

目前常用的疲劳研究手段主要是经验性的。通过记录金属材料在不同载荷下的疲劳寿命，并对试验结果进行统计分析，进而评估试验材料的疲劳性能。然而这些疲劳试验方法存在着试验周期长、试件消耗大、数据离散等一系列不足。这些都为获取材料的疲劳性能带来了相当大的困难。

近些年来，一系列基于试件在疲劳载荷下能量耗散的金属材料疲劳性能分析检测方法被提出，被称为能量方法。与传统试验方法相比，能量方法在很大程度上缩短了试验周期，减少了试验材料的消耗，是一种快速、经济、准确的金属材料疲劳性能分析检测技术。其中，哈尔滨工业大学的张亮在其博士学位论文—《铝合金高周疲劳的能量耗散模型及寿命预测》中提出了一种基于能量耗散的金属材料高周疲劳寿命预测模型，并提出材料在疲劳载荷下的能量耗散可以用试件在疲劳载荷作用下温度演化曲线初始阶段的温度增加速率(简称为初始温升斜率)来表示。然而，在张亮所提出的方法中没有明确“初始阶段”的选取标准，使得根据不同范围的初始温度上升阶段计算得到初始温升斜率之间具有较大的差异，这给实际应用造成了一定程度的困难。

对于用初始温升斜率表示能量耗散率的现有疲劳寿命预测技术来说，准确测定待测金属材料在不同载荷下的初始温升斜率是关键性的基础。现有技术在这一方面并没有给出明确的标准，造成了对于相同的温升曲线选取不同的计算范围得到的初始温升斜率差别较大。这一问题使得现有技术在实际使用中带有很强的经验性，在很大程度上限制了现有技术在实际中的应用。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述现有技术存在的问题，即现有技术在这一方面并没有给出明确的标准，造成了对于相同的温升曲线选取不同的计算范围得到的初始温升斜率差别较大。这一问题使得现有技术在实际使用中带有很强的经验性，在很大程度上限制了现有技术在实际中的应用。进而提供一种基于试件表面温度演化分析的金属疲劳寿命预测方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于试件表面温度演化分析的金属疲劳寿命预测方法，

采用保温措施对待测试件进行保护，减少试件与疲劳试验机卡具之间的热传导，对待测试件进行不同应力水平下的循环加载，采用接触式测温方法测量试件表面中心温升演化曲线(温升是指试件温度相对环境温度的升高值)，当试件发生疲劳失效后，循环加载停止，试件进入自然冷却过程，继续采集试件表面的温升演化曲线，直到试件表面温升不再发生明显的下降，根据试件在自然冷却阶段的温升演化曲线，求得冷却阶段试件在单位时间内散失的热量随时间的变化规律，即获得试件冷却阶段的热散失率演化曲线；选取试件冷却阶段中的某一时刻，根据相应的温升演化曲线和热散失率演化曲线确定这一时刻的温升值和热散失率，确定二者的对应关系；重复这一过程，对试件冷却过程中每个测量时刻进行处理，获得整个冷却过程中热散失率和温升的对应关系曲线，根据热散失率和温升的对应关系曲线确定临界温升值；其选取标准为在此温升值之下试件的热散失率明显减小，将临界温升值作为选取试件初始温升阶段的标准来计算初始温升斜率，其选取范围为在循环加载的初始阶段温升值最低点到临界温升值之间，用计算得到的初始温升斜率乘以相应的疲劳寿命，确定疲劳寿命预测模型参数，根据疲劳寿命预测模型对金属材料的疲劳寿命进行预测。

本发明提出通过对试件断裂后的自然冷却曲线进行分析，建立基于试件温升值的初始温升斜率计算标准，使得初始温升斜率的计算标准具有一致性和明确的物理意义。同时，相较于传统疲劳试验方法，本发明具有试验周期短、节省试件、试验结果准确等优点，是一种先进高效的金属材料疲劳性能分析检测新技术。

附图说明

图1为不同载荷下试件温度演化曲线图。

图2为典型的温度演化规律曲线图。

图3为热散失率和温升值的对应关系曲线计算过程示意图。

图4为不同载荷下热散失率和温升值的对应关系曲线图。

图5为热散失率随温升值的变化规律曲线图。

图6为初始温升斜率计算范围曲线图。

具体实施方式

下面将对本发明做进一步的详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式，但本发明的保护范围不限于下述实施例。

本实施例中，试件所采用的材料为厚6mm的商用A7N01铝合金板材。按照常规疲劳试件尺寸，采用线切割方法沿平行于轧制方向加工待测试件。加工完成后，对试件表面进行打磨，使试件表面的粗糙度达到一致。在试验前对试件施加保护措施以减少热散失，用石棉布将试件与疲劳试验机卡具隔开以减少热传导的影响，用棉花和橡塑保温材料将试件包裹，以减少空气对流的影响。

疲劳试验设备为高频拉压疲劳试验机。疲劳载荷为拉-拉载荷，循环特征系数为0.1，振动频率为128Hz。试验过程中用高精密接触式测温系统对试件表面的温度进行记录。测温探头与试件表面直接接触，固定在试件标距长度中心。

用温升值(试件温度与环境温度的差值)表示试件在试验过程中的温度演化过程，如图1所示。材料在受到疲劳载荷时，外部施加的机械功会转化为其内部的内能，从而导致试件温度升高。当试件温度高于环境温度时，其内部的热量会向周围散失，温度差越大热量散失的速度就越快。此时，铝合金试件的温度同时受疲劳产热和热量散失两种效应的影响，两种效应之间的相互竞争导致了试件温度演化呈现出不同的阶段，如图2所示。

疲劳裂纹萌生之后，试件的承载能力下降，疲劳试验机的保护机制启动，自动停止疲劳加载，认为此时材料发生疲劳失效。疲劳失效发生之后，不再有机械功转化为材料的内能，试件内部的热量向周围环境散失，导致试件的温度不断下降。在这一阶段，试件的温度演化只受散热的影响，试件进入自然冷却阶段。根据测得的冷却阶段温度演化曲线θ(t)，可以计算相应的热散失率演化曲线H(t)，即试件单位时间内散失的热量随时间的变化过程，计算方法如下列方程所示：

其中ρ为待测材料的密度，c为待测材料的比热容，h(t)为单位时间内实际散失的热量。由于ρ和c都为材料常数，为了方便计算和比较，用H(t)表示热散失率。

选取试件冷却阶段的某一时刻τ，根据相应的θ(t)和H(t)，分别获得τ时刻的温升值θ(τ)和热散失率H(τ)。建立θ(τ)和H(τ)的联系，即获得τ时刻温升值和热散失率的对应关系H(θ)|_t＝τ。重复这一过程，对试件冷却过程中每个测量时刻进行处理，获得整个冷却过程中热散失率和温升值的对应关系曲线H(θ)。图3为整个计算过程的示意图。

采用上述方法对图1中冷却阶段的温升演化曲线进行处理，获得相应的热散失率和温升值的对应关系曲线，如图4所示。根据不同冷却曲线计算得到的热散失率和温升值的对应关系曲线基本一致，说明不同载荷下试件和外部环境的热交换条件基本一致，这是因为不同载荷下的试验条件基本相似。由图4可以看出，整体上热散失率随温升值的下降而不断减小，当温升值小于某一临界值θ_c时，热散失率曲线出现转折，热散失率近似等于零，如图5所示。在温升值较高的部分，出现小部分热散失率随温升值的下降而增加的部分，这是由于冷却阶段初期试件内部温度分布不均匀造成的。

热散失率和温升值之间的关系表示了试件与外部环境之间的热交换条件。热交换条件在整个试验过程中基本保持恒定，同时，试件上裂纹尺寸较小基本不影响试件的整体性。所以，由冷却阶段温升值演化曲线计算得到的热散失率和温升值之间的关系同样适用于疲劳加载初期。

外加载荷作用下，机械能转化为材料内能的过程称为能量耗散。在疲劳加载初期，能量耗散过程持续进行材料的内能随之不断增加，表现为试件的温度不断升高。根据关系曲线H(θ)，在试件的温升值达到临界温升值θ_c之前，试件的热散失率很小可以忽略不计，可以认为没有热量从试件中散失到周围环境中去，由机械能转换而来的内能全部用来提升试件的温度。当试件的温升值超过临界值之后，热散失率明显增加，相当一部分热量散失到周围环境中去，试件的温度增加不再能够表示由机械能转换而来的内能。因此，只有在试件的温升值达到临界温升值θ_c之前，才可以认为试件温度增加的速率等于材料由于能量耗散在单位时间内内能增加量。也就是说，要用初始温升斜率表示材料在疲劳载荷下能量耗散率，用来计算温升斜率的初始阶段温升演化曲线的最大温升值不能超过临界温升值θ_c。

根据不同载荷下温升值演化曲线计算得到的临界温升值θ_c存在一定的差别，如图4所示，这是试验设备误差造成的。可以通过选取的一个较小的临界温升值θ_c来保证用初始温升斜率表示能量耗散率的准确性。本实例中我们选取临界温升值θ_c等于1℃。

根据测得的温升值演化曲线，采用线性拟合的方法计算初始温升斜率。温升演化曲线的选取范围为初始阶段温升值最低点到临界温升值之间，如图6所示。根据计算得到的初始温升斜率预测材料的疲劳寿命，预测模型如下：

N_f·R＝C

其中N_f为材料的疲劳寿命，R为初始温升斜率，C为材料常数。本实施例中取不同应力水平下计算得到材料常数C_i的平均值做为预测模型中材料常数，并以此来预测材料在不同应力水平下疲劳寿命，预测结果如表1所示：

表1

其中预测结果N_pre与试验结果N_exp之间的误差δ的绝对值均小于10％，说明预测的结果具有较高的准确性。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，这些具体实施方式都是基于本发明整体构思下的不同实现方式，而且本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。