本發(fā)明涉及一種基于試件表面溫度演化分析的金屬疲勞壽命預(yù)測方法，屬于金屬疲勞壽命預(yù)測方法技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

疲勞破壞是引起工程結(jié)構(gòu)失效的最主要原因，工程結(jié)構(gòu)中因疲勞失效引起破壞事故占失效總數(shù)的80％以上。另一方面，疲勞破壞事故又具有突然性。結(jié)構(gòu)在發(fā)生疲勞失效之前往往沒有明顯的塑性變形，使得疲勞破壞事故難以通過檢測手段進(jìn)行預(yù)防。因此，在設(shè)計和生產(chǎn)制造之前對材料的疲勞性能進(jìn)行有效的評估就顯得非常重要。

目前常用的疲勞研究手段主要是經(jīng)驗(yàn)性的。通過記錄金屬材料在不同載荷下的疲勞壽命，并對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計分析，進(jìn)而評估試驗(yàn)材料的疲勞性能。然而這些疲勞試驗(yàn)方法存在著試驗(yàn)周期長、試件消耗大、數(shù)據(jù)離散等一系列不足。這些都為獲取材料的疲勞性能帶來了相當(dāng)大的困難。

近些年來，一系列基于試件在疲勞載荷下能量耗散的金屬材料疲勞性能分析檢測方法被提出，被稱為能量方法。與傳統(tǒng)試驗(yàn)方法相比，能量方法在很大程度上縮短了試驗(yàn)周期，減少了試驗(yàn)材料的消耗，是一種快速、經(jīng)濟(jì)、準(zhǔn)確的金屬材料疲勞性能分析檢測技術(shù)。其中，哈爾濱工業(yè)大學(xué)的張亮在其博士學(xué)位論文—《鋁合金高周疲勞的能量耗散模型及壽命預(yù)測》中提出了一種基于能量耗散的金屬材料高周疲勞壽命預(yù)測模型，并提出材料在疲勞載荷下的能量耗散可以用試件在疲勞載荷作用下溫度演化曲線初始階段的溫度增加速率(簡稱為初始溫升斜率)來表示。然而，在張亮所提出的方法中沒有明確“初始階段”的選取標(biāo)準(zhǔn)，使得根據(jù)不同范圍的初始溫度上升階段計算得到初始溫升斜率之間具有較大的差異，這給實(shí)際應(yīng)用造成了一定程度的困難。

對于用初始溫升斜率表示能量耗散率的現(xiàn)有疲勞壽命預(yù)測技術(shù)來說，準(zhǔn)確測定待測金屬材料在不同載荷下的初始溫升斜率是關(guān)鍵性的基礎(chǔ)。現(xiàn)有技術(shù)在這一方面并沒有給出明確的標(biāo)準(zhǔn)，造成了對于相同的溫升曲線選取不同的計算范圍得到的初始溫升斜率差別較大。這一問題使得現(xiàn)有技術(shù)在實(shí)際使用中帶有很強(qiáng)的經(jīng)驗(yàn)性，在很大程度上限制了現(xiàn)有技術(shù)在實(shí)際中的應(yīng)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，即現(xiàn)有技術(shù)在這一方面并沒有給出明確的標(biāo)準(zhǔn)，造成了對于相同的溫升曲線選取不同的計算范圍得到的初始溫升斜率差別較大。這一問題使得現(xiàn)有技術(shù)在實(shí)際使用中帶有很強(qiáng)的經(jīng)驗(yàn)性，在很大程度上限制了現(xiàn)有技術(shù)在實(shí)際中的應(yīng)用。進(jìn)而提供一種基于試件表面溫度演化分析的金屬疲勞壽命預(yù)測方法。

本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

一種基于試件表面溫度演化分析的金屬疲勞壽命預(yù)測方法，

采用保溫措施對待測試件進(jìn)行保護(hù)，減少試件與疲勞試驗(yàn)機(jī)卡具之間的熱傳導(dǎo)，對待測試件進(jìn)行不同應(yīng)力水平下的循環(huán)加載，采用接觸式測溫方法測量試件表面中心溫升演化曲線(溫升是指試件溫度相對環(huán)境溫度的升高值)，當(dāng)試件發(fā)生疲勞失效后，循環(huán)加載停止，試件進(jìn)入自然冷卻過程，繼續(xù)采集試件表面的溫升演化曲線，直到試件表面溫升不再發(fā)生明顯的下降，根據(jù)試件在自然冷卻階段的溫升演化曲線，求得冷卻階段試件在單位時間內(nèi)散失的熱量隨時間的變化規(guī)律，即獲得試件冷卻階段的熱散失率演化曲線；選取試件冷卻階段中的某一時刻，根據(jù)相應(yīng)的溫升演化曲線和熱散失率演化曲線確定這一時刻的溫升值和熱散失率，確定二者的對應(yīng)關(guān)系；重復(fù)這一過程，對試件冷卻過程中每個測量時刻進(jìn)行處理，獲得整個冷卻過程中熱散失率和溫升的對應(yīng)關(guān)系曲線，根據(jù)熱散失率和溫升的對應(yīng)關(guān)系曲線確定臨界溫升值；其選取標(biāo)準(zhǔn)為在此溫升值之下試件的熱散失率明顯減小，將臨界溫升值作為選取試件初始溫升階段的標(biāo)準(zhǔn)來計算初始溫升斜率，其選取范圍為在循環(huán)加載的初始階段溫升值最低點(diǎn)到臨界溫升值之間，用計算得到的初始溫升斜率乘以相應(yīng)的疲勞壽命，確定疲勞壽命預(yù)測模型參數(shù)，根據(jù)疲勞壽命預(yù)測模型對金屬材料的疲勞壽命進(jìn)行預(yù)測。

本發(fā)明提出通過對試件斷裂后的自然冷卻曲線進(jìn)行分析，建立基于試件溫升值的初始溫升斜率計算標(biāo)準(zhǔn)，使得初始溫升斜率的計算標(biāo)準(zhǔn)具有一致性和明確的物理意義。同時，相較于傳統(tǒng)疲勞試驗(yàn)方法，本發(fā)明具有試驗(yàn)周期短、節(jié)省試件、試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)，是一種先進(jìn)高效的金屬材料疲勞性能分析檢測新技術(shù)。

附圖說明

圖1為不同載荷下試件溫度演化曲線圖。

圖2為典型的溫度演化規(guī)律曲線圖。

圖3為熱散失率和溫升值的對應(yīng)關(guān)系曲線計算過程示意圖。

圖4為不同載荷下熱散失率和溫升值的對應(yīng)關(guān)系曲線圖。

圖5為熱散失率隨溫升值的變化規(guī)律曲線圖。

圖6為初始溫升斜率計算范圍曲線圖。

具體實(shí)施方式

下面將對本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說明：本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述實(shí)施例。

本實(shí)施例中，試件所采用的材料為厚6mm的商用A7N01鋁合金板材。按照常規(guī)疲勞試件尺寸，采用線切割方法沿平行于軋制方向加工待測試件。加工完成后，對試件表面進(jìn)行打磨，使試件表面的粗糙度達(dá)到一致。在試驗(yàn)前對試件施加保護(hù)措施以減少熱散失，用石棉布將試件與疲勞試驗(yàn)機(jī)卡具隔開以減少熱傳導(dǎo)的影響，用棉花和橡塑保溫材料將試件包裹，以減少空氣對流的影響。

疲勞試驗(yàn)設(shè)備為高頻拉壓疲勞試驗(yàn)機(jī)。疲勞載荷為拉-拉載荷，循環(huán)特征系數(shù)為0.1，振動頻率為128Hz。試驗(yàn)過程中用高精密接觸式測溫系統(tǒng)對試件表面的溫度進(jìn)行記錄。測溫探頭與試件表面直接接觸，固定在試件標(biāo)距長度中心。

用溫升值(試件溫度與環(huán)境溫度的差值)表示試件在試驗(yàn)過程中的溫度演化過程，如圖1所示。材料在受到疲勞載荷時，外部施加的機(jī)械功會轉(zhuǎn)化為其內(nèi)部的內(nèi)能，從而導(dǎo)致試件溫度升高。當(dāng)試件溫度高于環(huán)境溫度時，其內(nèi)部的熱量會向周圍散失，溫度差越大熱量散失的速度就越快。此時，鋁合金試件的溫度同時受疲勞產(chǎn)熱和熱量散失兩種效應(yīng)的影響，兩種效應(yīng)之間的相互競爭導(dǎo)致了試件溫度演化呈現(xiàn)出不同的階段，如圖2所示。

疲勞裂紋萌生之后，試件的承載能力下降，疲勞試驗(yàn)機(jī)的保護(hù)機(jī)制啟動，自動停止疲勞加載，認(rèn)為此時材料發(fā)生疲勞失效。疲勞失效發(fā)生之后，不再有機(jī)械功轉(zhuǎn)化為材料的內(nèi)能，試件內(nèi)部的熱量向周圍環(huán)境散失，導(dǎo)致試件的溫度不斷下降。在這一階段，試件的溫度演化只受散熱的影響，試件進(jìn)入自然冷卻階段。根據(jù)測得的冷卻階段溫度演化曲線θ(t)，可以計算相應(yīng)的熱散失率演化曲線H(t)，即試件單位時間內(nèi)散失的熱量隨時間的變化過程，計算方法如下列方程所示：

其中ρ為待測材料的密度，c為待測材料的比熱容，h(t)為單位時間內(nèi)實(shí)際散失的熱量。由于ρ和c都為材料常數(shù)，為了方便計算和比較，用H(t)表示熱散失率。

選取試件冷卻階段的某一時刻τ，根據(jù)相應(yīng)的θ(t)和H(t)，分別獲得τ時刻的溫升值θ(τ)和熱散失率H(τ)。建立θ(τ)和H(τ)的聯(lián)系，即獲得τ時刻溫升值和熱散失率的對應(yīng)關(guān)系H(θ)|_t＝τ。重復(fù)這一過程，對試件冷卻過程中每個測量時刻進(jìn)行處理，獲得整個冷卻過程中熱散失率和溫升值的對應(yīng)關(guān)系曲線H(θ)。圖3為整個計算過程的示意圖。

采用上述方法對圖1中冷卻階段的溫升演化曲線進(jìn)行處理，獲得相應(yīng)的熱散失率和溫升值的對應(yīng)關(guān)系曲線，如圖4所示。根據(jù)不同冷卻曲線計算得到的熱散失率和溫升值的對應(yīng)關(guān)系曲線基本一致，說明不同載荷下試件和外部環(huán)境的熱交換條件基本一致，這是因?yàn)椴煌d荷下的試驗(yàn)條件基本相似。由圖4可以看出，整體上熱散失率隨溫升值的下降而不斷減小，當(dāng)溫升值小于某一臨界值θ_c時，熱散失率曲線出現(xiàn)轉(zhuǎn)折，熱散失率近似等于零，如圖5所示。在溫升值較高的部分，出現(xiàn)小部分熱散失率隨溫升值的下降而增加的部分，這是由于冷卻階段初期試件內(nèi)部溫度分布不均勻造成的。

熱散失率和溫升值之間的關(guān)系表示了試件與外部環(huán)境之間的熱交換條件。熱交換條件在整個試驗(yàn)過程中基本保持恒定，同時，試件上裂紋尺寸較小基本不影響試件的整體性。所以，由冷卻階段溫升值演化曲線計算得到的熱散失率和溫升值之間的關(guān)系同樣適用于疲勞加載初期。

外加載荷作用下，機(jī)械能轉(zhuǎn)化為材料內(nèi)能的過程稱為能量耗散。在疲勞加載初期，能量耗散過程持續(xù)進(jìn)行材料的內(nèi)能隨之不斷增加，表現(xiàn)為試件的溫度不斷升高。根據(jù)關(guān)系曲線H(θ)，在試件的溫升值達(dá)到臨界溫升值θ_c之前，試件的熱散失率很小可以忽略不計，可以認(rèn)為沒有熱量從試件中散失到周圍環(huán)境中去，由機(jī)械能轉(zhuǎn)換而來的內(nèi)能全部用來提升試件的溫度。當(dāng)試件的溫升值超過臨界值之后，熱散失率明顯增加，相當(dāng)一部分熱量散失到周圍環(huán)境中去，試件的溫度增加不再能夠表示由機(jī)械能轉(zhuǎn)換而來的內(nèi)能。因此，只有在試件的溫升值達(dá)到臨界溫升值θ_c之前，才可以認(rèn)為試件溫度增加的速率等于材料由于能量耗散在單位時間內(nèi)內(nèi)能增加量。也就是說，要用初始溫升斜率表示材料在疲勞載荷下能量耗散率，用來計算溫升斜率的初始階段溫升演化曲線的最大溫升值不能超過臨界溫升值θ_c。

根據(jù)不同載荷下溫升值演化曲線計算得到的臨界溫升值θ_c存在一定的差別，如圖4所示，這是試驗(yàn)設(shè)備誤差造成的?？梢酝ㄟ^選取的一個較小的臨界溫升值θ_c來保證用初始溫升斜率表示能量耗散率的準(zhǔn)確性。本實(shí)例中我們選取臨界溫升值θ_c等于1℃。

根據(jù)測得的溫升值演化曲線，采用線性擬合的方法計算初始溫升斜率。溫升演化曲線的選取范圍為初始階段溫升值最低點(diǎn)到臨界溫升值之間，如圖6所示。根據(jù)計算得到的初始溫升斜率預(yù)測材料的疲勞壽命，預(yù)測模型如下：

N_f·R＝C

其中N_f為材料的疲勞壽命，R為初始溫升斜率，C為材料常數(shù)。本實(shí)施例中取不同應(yīng)力水平下計算得到材料常數(shù)C_i的平均值做為預(yù)測模型中材料常數(shù)，并以此來預(yù)測材料在不同應(yīng)力水平下疲勞壽命，預(yù)測結(jié)果如表1所示：

表1

其中預(yù)測結(jié)果N_pre與試驗(yàn)結(jié)果N_exp之間的誤差δ的絕對值均小于10％，說明預(yù)測的結(jié)果具有較高的準(zhǔn)確性。

以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實(shí)施方式，這些具體實(shí)施方式都是基于本發(fā)明整體構(gòu)思下的不同實(shí)現(xiàn)方式，而且本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。