本發(fā)明涉及金屬材料疲勞壽命預(yù)測領(lǐng)域，具體是一種考慮不同減薄率的超塑性成形件疲勞壽命預(yù)測方法。

背景技術(shù)：

超塑性作為材料科學(xué)領(lǐng)域的一個研究分支，其目的是使材料獲得極大的塑性變形能力。經(jīng)過多年的發(fā)展和研究，鈦、鋁、鎂等合金的超塑性成形在航空航天等尖端領(lǐng)域獲得廣泛地應(yīng)用。各國航空工業(yè)日漸重視超塑性成形技術(shù)，將其譽為現(xiàn)代航空生產(chǎn)的開拓性技術(shù)。超塑性成形不僅具有改善航空零部件的結(jié)構(gòu)性能、改變傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計概念，提高結(jié)構(gòu)的完整性等優(yōu)點，而且還能夠縮短飛機(jī)制造的周期，降低制造成本，減輕零部件的重量。

隨著金屬材料超塑性成形結(jié)構(gòu)件工程應(yīng)用的日益廣泛，其強(qiáng)度評估也受到了研究者更多的關(guān)注。近年來，鈦合金超塑性構(gòu)件在航空發(fā)動機(jī)承力構(gòu)件中也得到應(yīng)用，如寬弦空心風(fēng)扇葉片，這也對鈦合金材料超塑性變形后的疲勞性能評估提出了更為苛刻的要求。超塑性成形的研究歷史尚短，仍然屬于新興工藝，對各種鈦合金的各種成形工藝及其力學(xué)性能影響等還在不斷地研究。開展超塑性成形對鈦合金疲勞性能影響規(guī)律研究具有重要的理論意義和工程使用價值。

金屬材料在超塑性成形時，一方面會發(fā)生較大的塑性變形，另一方面還需要經(jīng)歷一個低溫-高溫-低溫的溫度循環(huán)過程，因此超塑性成形后材料的疲勞性能與母材相比，不可避免的會發(fā)生變化。目前，關(guān)于超塑性成形對材料力學(xué)性能的影響已開展一些工作，但主要側(cè)重于變形對力學(xué)性能的影響機(jī)理研究或定性的分析其影響規(guī)律，而定量描述超塑性變形率與材料力學(xué)性能尤其是疲勞性能之間關(guān)系方面的研究鮮有報道。本發(fā)明正是在這一背景下，提出了一種新的方法用于預(yù)測金屬材料在不同減薄率下超塑性變形后的疲勞壽命。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明為了解決現(xiàn)有技術(shù)的問題，提供了一種考慮不同減薄率的超塑性成形件疲勞壽命預(yù)測方法，能較為精確的評估材料經(jīng)任意減薄率下超塑性變形后的疲勞壽命。

本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

基于材料的微觀組織決定其力學(xué)性能的思想，在傳統(tǒng)的basquin模型基礎(chǔ)上引入hall-petch公式，對其疲勞強(qiáng)度系數(shù)和疲勞強(qiáng)度指數(shù)兩個參數(shù)進(jìn)行修正，使用平均晶粒直徑d作為變量，表征不同減薄率對金屬材料疲勞性能的影響，從而建立疲勞壽命預(yù)測模型。

對于不同減薄率下超塑性成形后的金屬材料的s-n曲線時采用basquin公式描述：

σa＝σ'f(2nf)^b；

式中：σ'f為疲勞強(qiáng)度系數(shù)，b為疲勞強(qiáng)度指數(shù)，二者均是與材料有關(guān)的常數(shù),σa為應(yīng)力幅值。

在材料力學(xué)性能研究中，常用hall-petch公式表示晶粒尺寸與屈服強(qiáng)度之間的關(guān)系，其公式如下：

式中c是位錯在基體運動中的總阻力，ky為釘扎常數(shù)，d為平均晶粒直徑。其中，c與ky均可視為與材料本身有關(guān)的常數(shù)。

一般情況下，認(rèn)為疲勞強(qiáng)度系數(shù)和疲勞強(qiáng)度指數(shù)為材料的固有參數(shù)。在相同工藝下的超塑性成形，由于減薄率(即變形率)差異會導(dǎo)致變形后材料的晶粒尺寸有所差異。大量試驗表明，金屬材料晶粒越細(xì)，靜強(qiáng)度性能及疲勞性能越好。因此，超塑性成形對疲勞壽命的影響從本質(zhì)上看就是晶粒尺寸對材料疲勞性能的影響。從微觀組織決定材料力學(xué)性能的思想出發(fā)，本發(fā)明將hall-petch公式引入basquin模型中，對其疲勞強(qiáng)度系數(shù)和疲勞強(qiáng)度指數(shù)兩個參數(shù)進(jìn)行修正，從而導(dǎo)出金屬材料材料超塑性成形后，考慮晶粒尺寸的疲勞壽命預(yù)測模型：

式中σi1，ky1，σi2，ky2為材料常數(shù)，可以通過試驗數(shù)據(jù)擬合得到。具體方法為：首先可以對設(shè)定的3-5種減薄率下超塑性成形后的金屬材料進(jìn)行疲勞試驗和金相試驗，分別得到材料的s-n曲線方程即basquin方程及材料的平均晶粒尺寸；然后根據(jù)試驗數(shù)據(jù)分別對σ'f-d^-1/2和b-d^-1/2之間的關(guān)系進(jìn)行線性擬合即可確定上述參數(shù)。

建立考慮晶粒度影響的疲勞壽命預(yù)測模型后，對于任意給定減薄率條件下的材料，采用數(shù)值模擬的方法計算其晶粒直徑，然后將計算得到的晶粒直徑代入上述模型，即可實現(xiàn)任意減薄率下材料超塑性成形后的疲勞壽命預(yù)測。

材料超塑性成形時往往伴隨著晶粒的長大，通過研究發(fā)現(xiàn)超塑性成形晶粒生長機(jī)理為形變誘發(fā)的超塑性晶粒生長伴隨著動態(tài)再結(jié)晶細(xì)化，最終的晶粒尺寸是兩種因素耦合作用的結(jié)果。其中形變誘發(fā)的超塑性晶粒生長可由以下模型計算：

其中，d為t時刻的晶粒尺寸，d0為晶粒的初始尺寸，ε為應(yīng)變，k為生長速率因子，t為保溫時間，q為晶粒長大指數(shù)，反映抵抗晶界運動的能力。α為晶粒聚合長大因子，對于雙相合金可取α＝0.3。上式表明，超塑性成形過程中晶粒尺寸隨著應(yīng)變的增大而增大，隨著應(yīng)變速率的減小而增大，晶粒長大與變形溫度、應(yīng)變及應(yīng)變速率均有關(guān)系。

動態(tài)再結(jié)晶的數(shù)學(xué)模型通常是應(yīng)變、應(yīng)變速率、溫度和初始晶粒尺寸和時間的函數(shù)，其計算公式如下：

式中：

其中，xdrx是動態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)，ε0.5為動態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)達(dá)到50％時的應(yīng)變，εc為動態(tài)再結(jié)晶的臨界應(yīng)變。q為變形激活能，r為氣體常數(shù)，t為絕對溫度。其中參數(shù)a1,a2,m1,m2,k1,k2,n1均為材料參數(shù)，可由試驗擬合確定。

本發(fā)明有益效果在于：金屬材料超塑性成形構(gòu)件廣泛應(yīng)用于各工程領(lǐng)域，由于結(jié)構(gòu)的需要，不同構(gòu)件變形程度(三維氣脹成形通常用減薄率來描述)差異較大，即使同一構(gòu)件不同部位減薄率也存在差異，采用本發(fā)明方法能較為精確的評估材料經(jīng)任意減薄率下超塑性變形后的疲勞壽命。

附圖說明

圖1為本發(fā)明疲勞壽命預(yù)測方法的流程圖。

圖2為本發(fā)明試驗用tc4鈦合金不同減薄率超塑性成形后的400倍金相照片及其平均晶粒直徑，其中圖2(a)減薄率為0；圖2(b)減薄率為20％；圖2(c)減薄率為30％；圖2(d)減薄率為40％。

圖3為本發(fā)明中試驗驗證所用試件幾何尺寸圖。

圖4為basquin模型不同減薄率下tc4鈦合金的疲勞壽命預(yù)測結(jié)果。

圖5為本發(fā)明考慮晶粒直徑修正后的模型疲勞壽命預(yù)測結(jié)果。

具體實施方式

下面結(jié)合具體實例和附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。

本發(fā)明提供的預(yù)測方法流程圖如圖1所示，利用該方法對tc4鈦合金分別在不同減薄率(0,20％，30％，40％)下進(jìn)行氣脹成形試驗，所用試件幾何尺寸圖如圖3所示，不同減薄率金相照片分別如圖2(a)、圖2(b)、圖2(c)和圖2(d)所示。

然后通過金相試驗測得其不同減薄率下的平均晶粒直徑，通過疲勞試驗獲得不同減薄率下超塑性成形后的鈦合金的s-n曲線，采用basquin公式描述：

σa＝σ'f(2nf)^b；

式中：σ'f為疲勞強(qiáng)度系數(shù)，b為疲勞強(qiáng)度指數(shù)，二者均是與材料有關(guān)的常數(shù)，σa為應(yīng)力幅值。由于超塑性成形減薄率變化導(dǎo)致鈦合金的晶粒尺寸變化，而晶粒尺寸變化是影響疲勞性能的重要因素，從微觀組織決定材料力學(xué)性能的思想出發(fā)?；趆all-petch公式對疲勞強(qiáng)度系數(shù)和疲勞強(qiáng)度指數(shù)進(jìn)行修正，建立了鈦合金超塑性氣脹成形件考慮晶粒尺寸的疲勞壽命預(yù)測模型：

通過分別對σ'f-d^-1/2和b-d^-1/2之間的關(guān)系進(jìn)行線性擬合，可確定上述材料參數(shù)。對于本發(fā)明中的tc4鈦合金最終建立的疲勞壽命預(yù)測模型為：

上述方程可用于預(yù)測任意減薄率下超塑性成形后的tc4鈦合金材料的疲勞壽命。根據(jù)減薄率，通過數(shù)值模擬計算獲取材料的平均晶粒直徑d，再結(jié)合給定的載荷條件代入上式即可計算出壽命nf。模擬晶粒尺寸與金相試驗晶粒尺寸對比如下表：

表1模擬晶粒尺寸與金相試驗晶粒尺寸對比

圖4為basquin模型不同減薄率下tc4鈦合金的疲勞壽命預(yù)測結(jié)果。圖5為本發(fā)明考慮晶粒直徑修正后的模型疲勞壽命預(yù)測結(jié)果。由圖4可見，原模型預(yù)測壽命時，數(shù)據(jù)分散性較大，部分點落在2倍分散帶以外。圖5可見，修正后的模型預(yù)測壽命，分散性明顯變好，所有數(shù)據(jù)點均在2倍分散帶以內(nèi)。

本發(fā)明具體應(yīng)用途徑很多，以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以作出若干改進(jìn)，這些改進(jìn)也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。