一种金属材料内部疲劳失效的寿命预测方法技术

本发明专利技术公开了一种金属材料内部疲劳失效的寿命预测方法，包括：一、获取加载恒定载荷条件下金属材料的应力

【技术实现步骤摘要】
一种金属材料内部疲劳失效的寿命预测方法


[0001]本专利技术属于金属材料疲劳失效
，尤其是涉及一种金属材料内部疲劳失效的寿命预测方法。

技术介绍

[0002]随着科学技术的进步，航空航天，汽车，核能等机械结构面对着“轻量化”、“环境适应性”以及“长寿命化”的需求，且它们直接关系到机械机构的服役性能、使用寿命和安全可靠性。对于机械结构而言，其结构材料在服役过程中会受到复杂环境等因素的影响，进而发生高循环的环境
‑
疲劳耦合损伤，大大制约了机械结构高性能
‑
高耐久性
‑
低维修成本的发展需求，迫切需要在结构的材料选用、失效诊断以及寿命预测等方面取得突破性进展。此外，传统机械结构建立在“安全系数为2”或“静设计、动校准”的强度准则，已远不能满足复杂服役环境下机械结构及材料长寿命预测的要求。因此，需要在明确金属结构及材料的疲劳耦合损伤模式、规律及机理的前提下，基于多学科的理论和方法，揭示、分析及构建金属材料环境
‑
疲劳损伤演化方程，形成基于失效机制的高疲劳寿命疲劳耦合损伤评估方法，才能满足机械结构环境
‑
高性能
‑
长寿命设计要求。

技术实现思路

[0003]本专利技术所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种金属材料内部疲劳失效的寿命预测方法，通过建立基于吉布斯自由能变与内部裂纹萌生时能量演化的关系，随后结合晶体塑性有限元计算循环加载条件下的塑性应变能密度，进而基于能效因子评估对初始吉布斯自由能变方程进行修正，建立细观内部疲劳裂纹萌生寿命预测模型，对金属材料的疲劳寿命进行预估和验证，形成基于失效机制的高疲劳寿命疲劳耦合损伤评估方法，满足了机械结构环境
‑
高性能
‑
长寿命设计要求。
[0004]为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：一种金属材料内部疲劳失效的寿命预测方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
[0005]步骤一、获取加载恒定载荷条件下金属材料的应力
‑
寿命拟合公式：根据金属材料疲劳试验标准，进行周期性载荷加载条件下的恒定载荷疲劳试验，将所得试验数据绘制在坐标系内，通过线性拟合，得到金属材料在恒定载荷加载条件下的应力
‑
寿命曲线和拟合公式lgσ
a
＝AlgN
f
+B；其中，σ
a
为加载的应力幅值，N
f
为与加载的应力幅值对应的试验疲劳寿命，A和B为拟合参数；
[0006]步骤二、获取初始吉布斯自由能变方程：结合吉布斯自由能理论、Mura和Nakasone的理论，得到在对金属材料施加周期性载荷的条件下其内部裂纹萌生过程的能量演化方程为ΔG＝
‑
W
e
‑
W
d
+2c
vir
γ
s
；其中，ΔG为吉布斯自由能变，W
e
为裂纹张开时材料释放的弹性能，W
d
为内能存储在金属材料晶格缺陷中的部分外功，c
vir
为虚拟裂纹长度数值的1/2，γ
s
为裂纹表面能；
[0007]步骤三、获取周期性载荷加载条件下的塑性应变能密度：利用有限元软件建立多
晶代表体积元模型，采用拉格朗日实体单元对多晶代表体积元模型进行离散，对离散后的多晶代表体积元模型施加周期性载荷，将具有最高塑性应变能密度值的单元作为裂纹萌生的临界单元，则临界单元的塑性应变能密度为且其中，Δτ为局部剪切应力变化范围，Δγ
p
为对应位置的塑性剪切应变变化范围；
[0008]步骤四、修正初始吉布斯自由能变方程中的裂纹表面能，过程如下：
[0009]步骤401、假设金属材料滑移带中所有位错偶极子均会影响裂纹萌生，则单一滑移带中的位错偶极子数量n
eq
，且其中，b为伯氏矢量，W
eq
为单一滑移带内部位错偶极子存储的应变能，d为晶粒尺寸，h为滑移带宽度，μ为剪切模量；
[0010]步骤402、当裂纹萌生结束时，根据Murakami理论，裂纹特征长度为则导致裂纹萌生的最低表面能与W
eq
之间的关系式为
[0011]步骤403、裂纹长度和伯氏矢量绝对值b与位错数量n
c
之间的关系为结合步骤401和步骤402，得到位错数量n
c
的表达式为进而得到裂纹表面能γ
s
的表达式为
[0012]步骤五、预估裂纹萌生寿命：根据机械结构中的金属材料，该金属材料的能效因子f保持恒定，结合步骤三和步骤四中的公式可将步骤二中的能量演化方程转化为
[0013][0014]对该公式求偏导可得
[0015][0016]当位错偶极子存储的能量与裂纹萌生能量处于平衡状态时，即时，吉布斯自由能变ΔG最大，则
[0017][0018]得到则此时的N为裂纹萌生寿命N
i
；
[0019]另外，Δτ
·
Δγ
p
为临界单元的塑性应变能密度的两倍，则
[0020]步骤六、验证获取的裂纹萌生寿命精度：以试验疲劳寿命为横坐标，预估裂纹萌生寿命为纵坐标，建立坐标系，将机械结构中的金属材料发生内部失效时的预估裂纹萌生寿命和试验疲劳寿命的比值在坐标系中标出，且机械结构中的金属材料发生内部失效时的预估裂纹萌生寿命和试验疲劳寿命的比值位于3倍线边界内，得出预估的裂纹萌生寿命为该金属材料的内部疲劳失效寿命。
[0021]上述的一种金属材料内部疲劳失效的寿命预测方法，其特征在于：步骤二中，裂纹张开时材料释放的弹性能W
e
包括位错本身蕴含的能量和位错偶极子之间相互作用蕴含的能量，则W
e
为其中，d为晶粒尺寸，ν为泊松比，k为滑移启动的临界剪切应力，N为循环载荷施加周次，ζ为常数。
[0022]上述的一种金属材料内部疲劳失效的寿命预测方法，其特征在于：步骤二中，根据Fine与Bhat的理论可知，W
d
为W
d
＝2c
vir
Nδ；其中，δ为每个循环结束后虚拟裂纹存储的能量。
[0023]上述的一种金属材料内部疲劳失效的寿命预测方法，其特征在于：根据周期性荷载作用下的恢复力特性曲线,δ为式中，f为能效因子，h为滑移带宽度。
[0024]上述的一种金属材料内部疲劳失效的寿命预测方法，其特征在于：步骤二中，根据位错堆积宽度和虚拟裂纹长度之间的关系，得到虚拟裂纹长度
[0025]本专利技术的有益效果是通过建立基于吉布斯自由能变与内部裂纹萌生时能量演化的关系，随后结合晶体塑性有限元计算循环加载条件下的塑性应变能密度，进而基于能效因子评估对初始吉布斯自由能变方程进行修正，建立细观内部疲劳裂纹萌生寿命预测模型，对金属材料的疲劳寿命进行预估和本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种金属材料内部疲劳失效的寿命预测方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤一、获取加载恒定载荷条件下金属材料的应力
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寿命拟合公式：根据金属材料疲劳试验标准，进行周期性载荷加载条件下的恒定载荷疲劳试验，将所得试验数据绘制在坐标系内，通过线性拟合，得到金属材料在恒定载荷加载条件下的应力
‑
寿命曲线和拟合公式lgσ
a
＝AlgN
f
+B；其中，σ
a
为加载的应力幅值，N
f
为与加载的应力幅值对应的试验疲劳寿命，A和B为拟合参数；步骤二、获取初始吉布斯自由能变方程：结合吉布斯自由能理论、Mura和Nakasone的理论，得到在对金属材料施加周期性载荷的条件下其内部裂纹萌生过程的能量演化方程为ΔG＝
‑
W
e
‑
W
d
+2c
vir
γ
s
；其中，ΔG为吉布斯自由能变，W
e
为裂纹张开时材料释放的弹性能，W
d
为内能存储在金属材料晶格缺陷中的部分外功，c
vir
为虚拟裂纹长度数值的1/2，γ
s
为裂纹表面能；步骤三、获取周期性载荷加载条件下的塑性应变能密度：利用有限元软件建立多晶代表体积元模型，采用拉格朗日实体单元对多晶代表体积元模型进行离散，对离散后的多晶代表体积元模型施加周期性载荷，将具有最高塑性应变能密度值的单元作为裂纹萌生的临界单元，则临界单元的塑性应变能密度为且其中，Δτ为局部剪切应力变化范围，Δγ
p
为对应位置的塑性剪切应变变化范围；步骤四、修正初始吉布斯自由能变方程中的裂纹表面能，过程如下：步骤401、假设金属材料滑移带中所有位错偶极子均会影响裂纹萌生，则单一滑移带中的位错偶极子数量n
eq
，且其中，b为伯氏矢量，W
eq
为单一滑移带内部位错偶极子存储的应变能，d为晶粒尺寸，h为滑移带宽度，μ为剪切模量；步骤402、当裂纹萌生结束时，根据Murakami理论，裂纹特征长度为则...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙锐，张文，白润，刘辉，白伟，周永康，王峰，
申请(专利权)人：西北有色金属研究院，
类型：发明
国别省市：