專利名稱：：一種剩余強度和剩余壽命的快速、無損預(yù)測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種剩余強度和剩余壽命的快速、無損預(yù)測方法，特別涉及一種基于表面硬度的剩余強度和剩余疲勞壽命的快速、無損預(yù)測方法，適用領(lǐng)域為抗拉強度在200MPa到2300MPa之間，包括表面經(jīng)過工藝強化處理、未經(jīng)過工藝強化處理的鋼鐵材料或零部件的強化、損傷以及隨機載荷譜中的剩余強度和剩余疲勞壽命的快速、無損預(yù)測。技術(shù)背景長期以來，國內(nèi)外對于鋼鐵材料或零件的剩余強度和剩余疲勞壽命預(yù)測已進行了大量工作，取得多種預(yù)測鋼鐵材料或零件的剩余強度和剩余疲勞壽命的方法。但現(xiàn)有的方法不考慮使用過程中疲勞極限以下的小載荷的強化，只考慮載荷造成的損傷，而且大都把剩余強度和剩余疲勞壽命的預(yù)測分離。疲勞極限以下小載荷對強度(包括靜強度和疲勞強度)的強化現(xiàn)象早己引起人們的注意。國內(nèi)外對小載荷強化現(xiàn)象的研究也一直在不斷的深入和擴展，研究對象涉及到標準材料試樣、具體零部件(包括經(jīng)過表面工藝強化的零部件)。常規(guī)機器零部件(特別是汽車零部件)在使用過程中所遇到的載荷大部分是疲勞極限以下的小載荷，裂紋萌生前(汽車工程上，一般不考慮結(jié)構(gòu)的裂紋擴展)，低于疲勞極限的部分小載荷具有強化作用。零部件的強度和疲勞壽命會因小載荷的強化而提高和延長。如還按照傳統(tǒng)的疲勞理論，不考慮小載荷的強化，則零部件的剩余強度和剩余壽命的預(yù)測往往是偏于安全的。根據(jù)剩余強度進行剩余疲勞壽命的預(yù)測，充分考慮到了使用過程中強化的變化特征，使剩余疲勞壽命預(yù)測更加科學和準確。因此，考慮小載荷強化或損傷的剩余強度和剩余疲勞壽命預(yù)測比傳統(tǒng)的方法更合理，而且通過表面硬度變化進行預(yù)測是一種簡單、快速、無損的方法。該方法可以直接應(yīng)用在汽車回收行業(yè)的重要退役零部件剩余強度和剩余疲勞壽命的評價以及二手汽車重要零件剩余強度和剩余疲勞壽命的快速、無損和現(xiàn)場評估。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是為了充分考慮使用過程中強化的變化特征，使剩余疲勞壽命預(yù)測更加科學和準確，提供一種基于表面硬度的剩余強度和剩余疲勞壽命的快速、無損預(yù)測方法。本發(fā)明的技術(shù)方案是一種剩余強度和剩余疲勞壽命的快速、無損預(yù)測方法，其特點是，所述方法的步驟為1.測量材料或零件的應(yīng)力一壽命曲線，即S-N曲線；2.建立材料或零件在強化、損傷以及考慮小載荷強化的隨機載荷譜下表面硬度與剩余強度之間的對應(yīng)關(guān)系；3.材料或零件使用過程中表面硬度測量，根據(jù)材料或零件表面硬度與剩余強度之間的對應(yīng)關(guān)系，進行材料或零件剩余強度的快速、無損預(yù)測；4.利用預(yù)測的剩余強度和材料或零件的應(yīng)力--壽命曲線，即S-N曲線，可以對材料或零件在不同載荷譜下進行剩余疲勞壽命的快速、無損預(yù)測。這種方法將傳統(tǒng)的疲勞損傷理論和小載荷強化理論相結(jié)合，在剩余強度和剩余疲勞壽命預(yù)測中考慮到小載荷的強化，而不是僅考慮載荷的損傷。利用這種方法，只要建立材料或零件在強化、損傷以及含有強化的損傷過程中的表面硬度變化與其剩余強度之間的對應(yīng)關(guān)系，就可以通過簡單的表面硬度測量實現(xiàn)材料或零件剩余強度和剩余疲勞壽命的快速、無損預(yù)測。具體實施方式下面結(jié)合具體實例對本發(fā)明作進一步的說明。以20號鋼材料試樣的恒幅強化載荷譜為例，剩余強度和剩余疲勞壽命的快速、無損預(yù)測方法如下剩余強度和剩余疲勞壽命的快速、無損預(yù)測步驟為(1)測量材料的應(yīng)力一壽命曲線，即S-N曲線；(2)測量材料在不同的強化過程中表面硬度變化和剩余強度，通過試驗數(shù)據(jù)分析并建立材料或零件在強化、損傷以及含有小載荷強化隨機載荷中表面硬度變化與剩余強度之間的對應(yīng)關(guān)系；(3)不同強化次數(shù)下表面硬度測量，根據(jù)得到材料或零件的表面硬度變化與剩余強度之間的對應(yīng)關(guān)系進行剩余強度的快速、無損預(yù)(4)利用預(yù)測的剩余強度和應(yīng)力一壽命曲線，可以進行不同載荷下的剩余疲勞壽命的快速、無損預(yù)測。2、具體實例(1)、應(yīng)力一壽命曲線測量材料試驗在多級應(yīng)力下的疲勞試驗結(jié)果如表1。表1材料的疲勞試驗<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>根據(jù)表1中的試驗數(shù)據(jù)，可以擬合出20號鋼的應(yīng)力一壽命曲線，即S-N曲線如下S=524.8-44.41gN(2)、強化過程中表面硬度變化和剩余疲勞強度測量根據(jù)S-N曲線，估算材料的疲勞極限為230MPa。用最佳強化載荷230MPa對材料進行強化試驗，不同的強化次數(shù)下，材料的剩余疲勞強度和表面硬度變化如表2.表2強化過程中剩余強度和表面硬度<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>隨著表2中試驗數(shù)據(jù)的不斷積累，強化過程中剩余疲勞強度和表面硬度的對應(yīng)關(guān)系即可確定(必要時可以通過數(shù)值插值得到)。其他載荷譜下，同樣可以得到類似表2的不同壽命期間的剩余強度和表面硬度的對應(yīng)關(guān)系。(3)、剩余強度的快速、無損預(yù)測。在不同的強化次數(shù)下進行表面硬度測量，根據(jù)強化過程中表面硬度與剩余強度之間的對應(yīng)關(guān)系，即表2，可以進行剩余強度預(yù)測。例如，強化后表面硬度為HV188.7時，根據(jù)表2中的數(shù)據(jù)，剩余疲勞強度約為235.2MPa。(4)、利用預(yù)測的剩余強度和應(yīng)力一壽命曲線，預(yù)測不同載荷下的剩余疲勞壽命。例如，強化后表面硬度為HV188.7時，剩余疲勞強度約為235.2MPa。按照強化或損傷后材料或零件的應(yīng)力一壽命曲線斜率不變，則強化后S-N曲線為S=524.8-44.41gN+5.220%過載，即276MPa，下的剩余壽命為526000次。未經(jīng)過強化的試樣，在20%過載下的疲勞壽命為400000次。經(jīng)過強化后，疲勞壽命提高31.5%。權(quán)利要求1.一種剩余強度和剩余壽命的快速、無損預(yù)測方法，其特征在于第一、測量材料或零件的應(yīng)力-壽命曲線，即S-N曲線；第二、建立材料或零件在強化、損傷以及考慮小載荷強化的典型使用載荷譜下表面硬度與剩余強度之間的對應(yīng)關(guān)系；第三、材料或零件使用過程中表面硬度測量，并根據(jù)得到的材料或零件表面硬度與剩余強度之間的對應(yīng)關(guān)系，進行材料或零件剩余強度的快速、無損預(yù)測；第四、利用預(yù)測的剩余強度和材料或零件的應(yīng)力-壽命曲線，即S-N曲線，可以對材料或零件在不同載荷譜下進行剩余疲勞壽命的快速、無損預(yù)測。全文摘要本發(fā)明公開了一種剩余強度和剩余壽命的快速、無損預(yù)測方法，其步驟是第一、測量材料或零件的應(yīng)力—壽命曲線，即S-N曲線；第二、建立材料或零件在強化、損傷以及考慮小載荷強化的隨機載荷譜下表面硬度與剩余強度之間的對應(yīng)關(guān)系；第三、材料或零件使用過程中表面硬度測量，根據(jù)材料或零件表面硬度與剩余強度之間的對應(yīng)關(guān)系，進行材料或零件剩余強度的快速、無損預(yù)測；第四、利用預(yù)測的剩余強度和材料或零件的應(yīng)力—壽命曲線，即S-N曲線，可以對材料或零件在不同載荷譜下進行剩余疲勞壽命的快速、無損預(yù)測。利用這種方法，可以通過簡單的表面硬度測量實現(xiàn)材料或零件剩余強度和剩余疲勞壽命的快速、無損預(yù)測。文檔編號G01N3/00GK101231222SQ20081003360公開日2008年7月30日申請日期2008年2月15日優(yōu)先權(quán)日2008年2月15日發(fā)明者曦盧,鄭松林申請人:上海理工大學