一种基于损伤力学的高强金属材料变幅超高周疲劳寿命预测方法

摘要

本发明公开了一种基于损伤力学的高强金属材料变幅超高周疲劳寿命预测方法，本发明基于超高周疲劳试验结果和损伤力学模型，提供一套高强金属材料变幅超高周疲劳寿命预测方法；采用超声疲劳试验快速获取高强金属材料超高周疲劳性能，试验频率为20kHz，完成10

说明书

技术领域

本发明属于工程结构疲劳领域，涉及一种基于损伤力学的金属材料变幅超 高周疲劳寿命预测方法。

背景技术

高强金属材料，如高强金属材料，具有高强轻质、耐高温、耐腐蚀与成型 性优良等优点，在航空结构、航空发动机压气机叶片、汽轮机叶片等领域得到 广泛运用。高强金属结构在高速运转时承受高频振动疲劳载荷，在长期服役过 程中承受的循环载荷可达10⁹周次，即超高周疲劳。在实际服役过程中，高强>

发明内容

本发明提供一种基于损伤力学的高强金属材料变幅超高周疲劳寿命预测方 法。采用超声疲劳试验获取高强金属材料超高周疲劳性能，建立材料高周、超 高周范围内疲劳损伤模型；基于非线性损伤力学理论，引入变幅应力水平的损 伤因子，建立材料变幅超高周疲劳寿命预测模型，定量预测变幅载荷下的超高 周疲劳寿命。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案。

一种基于损伤力学的高强金属材料变幅超高周疲劳寿命预测方法，包括以 下步骤：

(1)采用超声疲劳方法对高强金属材料进行超高周次疲劳试验，试验频 率20kHz，获得材料疲劳强度-寿命数据，绘制材料疲劳S-N曲线，根据S-N曲 线计算参数S和S₁，其中S为材料疲劳损伤强度，S₁为非线性累积参数；

(2)对高强金属材料进行拉伸试验，加载速率0.00007s^-1～0.002s^-1，绘>b；

(3)取1～i份高强金属材料试样，对若干高强金属材料试样进行不同热 处理工艺，然后对若干高强金属材料进行金相处理，选取其显微组织中初生α 相+转变β相组织为代表单元，用显微硬度计采用显微硬度计测定初生α相的 硬度与转变β相的硬度，将α相的硬度值设定为α相的弹性模量Ea，将转变β 相的硬度值设定为转变β相的弹性模量Eb；

(4)利用Abaqus有限元分析方法计算材料显微组织的力学参数K_f，选>n，并输入步骤(3)中所测定的α相的弹性模量>max，则力学参数K_f＝σ_max/σ_n；

(5)将以上述测定的参数代入并建立高强金属材料疲劳性能方程：

其中σ_M为疲劳强度，N_R为疲劳寿命，S为材料疲劳损伤强度，S₁为非线>e为材料的疲劳极限且E为材料的弹性模量，k为材 料的硬化系数，C为材料参数其C＝0.6E/k；

为三向应力函数：其中ν为材料泊松 比其值取0.33；

K_f为反映材料热处理工艺及显微组织特征的参数；

(6)通过建立高强金属材料疲劳性能方程，绘制高强金属材料疲劳性能曲 线；

(7)根据损伤力学理论，建立试件1～x含预损伤D_i-1的第i应力水平下的>

式中D_i为第i个应力谱块(σ_i)的疲劳损伤，D_i-1为第i-1个应力谱块的疲>c,i为第i个应力谱块的疲劳临界损伤；N_i为第i个应力谱块的循环周>R,i为在第i个应力幅下的疲劳寿命；

(8)第i个应力谱块的疲劳临界损伤D_c,i为：

式中，D_k为拉伸断裂损伤值，一般取0.1；

(9)根据损伤力学理论，第i-1个应力谱块的疲劳损伤D_i-1在第i个应力谱>

则在第i应力谱块下的疲劳等效损伤演化方程：

(10)根据材料载荷谱，编制载荷谱块(σ_i,N_i)；

(11)根据疲劳等效损伤演化方程，计算第i个谱块(σ_i，N_i)下的疲劳损>

(12)比较疲劳损伤D_i与疲劳临界损伤D_c,i；如果Di＜D_c,i，则不断地疲劳>i≥D_c,i，则疲劳裂纹发生扩展断裂，疲劳寿命为>0+∑N_i-1；N₀为在第i个应力谱块下D_i＝D_c,i时的实际循环周次数。

本发明的有益效果为：本发明基于超高周疲劳试验结果和损伤力学模型， 提供一套高强金属材料变幅超高周疲劳寿命预测方法；采用超声疲劳试验快速 获取高强金属材料超高周疲劳性能，试验频率为20kHz，完成10⁹周次仅需要>

具体实施方式

以下将结合实施例对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、 完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施 例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本 领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本 发明保护的范围。另外，文中所提到的所有联接/连接关系，并非单指构件直接 相接，而是指可根据具体实施情况，通过添加或减少联接辅件，来组成更优的 联接结构。本发明创造中的各个技术特征，在不互相矛盾冲突的前提下可以交 互组合。

实施例1

下面以TA15钛合金为例，基于损伤力学的变幅超高周疲劳寿命预测方法 具体步骤如下：

(1)设计加工高强金属材料超声疲劳光滑试样，标记为试件1，采用超 声疲劳方法对试件1进行超高周次疲劳试验，试验频率20kHz，获得材料疲劳 强度-寿命数据，绘制材料疲劳S-N曲线，获得参数S＝130和S₁＝3，其中S为>1为非线性累积参数；

(2)对试件1进行拉伸试验，加载速率0.0002s^-1，绘制试件1的拉伸曲>b＝367MPa；

(3)然后对试件1进行金相处理，选取其显微组织中初生α相+转变β 相组织为代表单元，用显微硬度计采用显微硬度计测定初生α相的硬度与转变 β相的硬度，将α相的硬度值设定为α相的弹性模量Ea，将转变β相的硬度值 设定为转变β相的弹性模量Eb；

(4)利用Abaqus有限元分析方法计算材料显微组织的力学参数K_f，对>n，并输入步骤(3)中>max，则力学参数K_f＝σ_max/σ_n＝1.25；

(5)将以上述测定的参数代入并建立试件1的疲劳性能方程：

其中σ_M为疲劳强度，N_R为疲劳寿命，S为材料疲劳损伤强度，S₁为非线>e为材料的疲劳极限且E为材料的弹性模量，k为材 料的硬化系数，C为材料参数其C＝0.6E/k；

为三向应力函数：其中ν为材料泊松 比其值取0.33；

K_f为反映材料热处理工艺及显微组织特征的参数；

(6)建立试件1的疲劳性能方程；

(7)根据材料载荷谱，编制载荷谱块(σ_i,N_i)，以600MPa/10⁶周次>7周次+700MPa/10⁵周次为例，根据损伤力学理论，建立试件1的含>i-1的第i应力水平下的疲劳损伤演化方程；

式中Di为第i个应力谱块(σi)的疲劳损伤，D_i-1为第i-1个应力谱块的疲>c,i为第i个应力谱块的疲劳临界损伤；N_i为第i个应力谱块的循环周>R,i为在第i个应力幅下的疲劳寿命；

(8)第i个应力谱块的疲劳临界损伤D_c,i为：

式中，D_k为拉伸断裂损伤值，一般取0.1，在三个应力谱块下，试件1>

(9)根据损伤力学理论，第i-1个应力谱块的疲劳损伤D_i-1在第i个应力>

则在第i应力谱块下的疲劳等效损伤演化方程：

在第一个循环谱块(600MPa/10⁶周次)，D₁＝0.0027；在第二循环谱块中等效>7周次后疲劳损伤为0.006；在第三循环谱块>5周次后疲劳损伤为0.0078；循环计>i；

(10)比较疲劳损伤Di与疲劳临界损伤D_c,i；如果D_i＜D_c,i，则不断地疲>62＝0.41，超过疲劳临界损>0＝7.2×10⁶周次，>0+∑N₆₁＝2.3×10⁸周次；

以上对本发明的较佳实施方式进行了具体说明，但本发明创造并不限于所 述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出种种 的等同变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的 范围内。