基于加工表面层疲劳模型的工件寿命预测方法

摘要

一种基于耦合多完整性指标的加工表面层疲劳寿命预测方法，通过用于衡量表面层寿命的最大深度基准对构件的有效载荷进行建模；根据尖端塑性区尺寸建立有效裂纹长度模型并建立表面层微观组织与其疲劳寿命之间的关联，根据裂纹尖端塑性诱导闭合效应得到微裂纹扩展门槛值并得到加工表面层疲劳寿命预测模型。本发明能够量化预测不同加工表面完整性指标对表面层疲劳寿命的影响程度。该模型有望大幅减轻疲劳试验的工作量，对表面层疲劳性能评价的针对性更强，使评判加工工艺对疲劳性能作用更加直接。

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种机械加工领域的技术，具体是一种基于加工表面层疲劳模型的工件寿命预测方法。

背景技术

构件疲劳失效直接威胁机械装备和工程部件的服役安全性、可靠性和经济性，是国内外机械工程领域所长期面临的棘手问题。关键构件疲劳破坏极易引发灾难性事故，造成重大人身伤亡和财产损失。在机械工程领域的构件疲劳寿命组成中，裂纹萌生寿命通常远高于其扩展寿命，在总寿命中占比可达70％～80％。由此可见，如能对构件表面/亚表面状态进行主动调控，使疲劳裂纹萌生受到抑制，将对增强构件疲劳性能、延长构件服役寿命意义重大。

现有针对含不同加工表面层构件疲劳性能的评价方法，普遍采用以宏观断裂失效为寿命计量截止准则的疲劳寿命评估策略。然而，该方法并不适用于评估加工表面层的疲劳性能。针对加工表面层疲劳性能的评价，相关研究尚未开展，适用的加工表面层疲劳寿命预测模型也亟待建立。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种基于耦合多完整性指标的加工表面层疲劳寿命预测方法，能够量化预测不同加工表面完整性指标对表面层疲劳寿命的影响程度。该模型有望大幅减轻疲劳试验的工作量，对表面层疲劳性能评价的针对性更强，使评判加工工艺对疲劳性能作用更加直接。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种基于加工表面层疲劳模型的工件寿命预测方法，通过用于衡量表面层寿命的最大深度基准对构件的有效载荷进行建模；根据尖端塑性区尺寸建立有效裂纹长度模型并建立表面层微观组织与其疲劳寿命之间的关联，根据裂纹尖端塑性诱导闭合效应得到微裂纹扩展门槛值并得到加工表面层疲劳寿命预测模型。

所述的最大深度基准为1000μm，并记为l

所述的对构件的有效载荷进行建模是指：在一长度为l的微裂纹的尖端处外载应力并含残余应力作用后的有效应力σ

所述的建立有效裂纹长度模型是指：

根据Dugdale等人在论文(Yielding ofsteel sheets containing slits)中的研究，所述的微裂纹的有效长度变换为：

所述的表面层微观组织与其疲劳寿命之间的关联是指：将定征加工表面层微观组织的机械性能指标，即将显微硬度H(l)引入到疲劳寿命模型中：

所述的显微硬度H与屈服强度σ

所述的参数C，通过纳米压痕试验和静态拉伸试验，得到基体材料的显微硬度约为3.8GPa(130°对角金刚石四棱锥压头，载荷10mN，保载时间2s)，屈服强度约为900MPa，则计算得到C值。

所述的加工表面层疲劳寿命预测模型

技术效果

本发明整体的解决了现有技术无法对加工表面层疲劳寿命进行预测的技术问题。与现有技术相比，本发明通过加工表面层疲劳寿命预测模型将构件的加工表面层疲劳寿命从传统的整体疲劳寿命评价方法中剥离出来，通过该模型，即可量化预测不同加工表面完整性指标对表面层疲劳寿命的影响程度。相比于传统的通过开展常规疲劳试验并测试样件或结构件的整体疲劳寿命来分析不同加工工艺(实质为不同加工表面完整性组态)对疲劳寿命所造成的影响，本发明大大降低人力物力成本，提高效率。

附图说明

图1为本发明流程图。

具体实施方式

如图1所示，本实施例涉及一种基于加工表面层疲劳模型的工件寿命预测方法，通过用于衡量表面层寿命的最大深度基准对构件的有效载荷进行建模；根据尖端塑性区尺寸建立有效裂纹长度模型并建立表面层微观组织与其疲劳寿命之间的关联，根据裂纹尖端塑性诱导闭合效应得到微裂纹扩展门槛值并得到加工表面层疲劳寿命预测模型，具体包括：

步骤1-1：表面层最大深度基准的给定原则是使其既能覆盖全部待研究加工表面层的真实改性区深度，又尽量取小值。在实施例中，暂设定表面层深度统一基准为1000μm，并记为lth，以比较不同铣削工艺对表面层疲劳寿命带来的影响。值得说明的是，国家标准《金属材料疲劳小裂纹扩展速率试验方法》也指出，构件亚表层1000μm范围内属于微裂纹扩展区，故而适用微裂纹扩展理论；而裂纹长度大于1000μm时则进入宏观裂纹扩展阶段，扩展速率遵守常规的宏观裂纹生长规律。

步骤2-1：有效载荷主要与实际外载大小以及表面层的残余应力有关。随着外载峰值应力的大小不同，残余应力对疲劳裂纹扩展的阻滞效应也会不同。在小外载应力也即高周疲劳模式下，构件在宏观上仅发生弹性变形，残余应力对外加载荷形成叠加效应，共同影响裂纹尖端的扩展。根据上面分析，在一长度为l的微裂纹尖端处外载应力并含残余应力作用后的有效应力σ

步骤3-1：当加工表面的等效初始微裂纹长度l

步骤4-1：为了建立表面层微观组织与其疲劳寿命之间的关联，可将定征加工表面层微观组织的机械性能指标—显微硬度H(l)引入到疲劳寿命模型中。材料的微观组织状态决定了其显微硬度的大小。一般地，材料显微硬度H与其屈服强度σ

步骤4-2：为了确定C的大小，本实施例通过对Ti6Al4V钛合金基体材料开展纳米压痕试验和静态拉伸试验，获得基体材料的显微硬度约为3.8GPa(130°对角金刚石四棱锥压头，载荷10mN，保载时间2s)，屈服强度约为900MPa，据此可给定C值为4.22。对上述公式中的σ

步骤5-1：应力强度因子范围ΔK

步骤5-2：针对微裂纹的扩展速率，通过综合考虑疲劳微裂纹尖端塑性区尺寸与裂纹长度尺度相接近，微裂纹闭合水平随裂纹扩展而变化，以及微裂纹扩展强烈受控于疲劳强度极限等显著不同于宏观裂纹扩展的特点，在经典的Chapetti模型基础上，可以得到一个适用性更为宽泛的修正模型：

步骤6-1：在前述模型基础上，加工表面层疲劳寿命预测模型为：

上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。