一種基于表面完整性的鈦合金材料低周疲勞壽命預(yù)測方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及鈦合金材料承受拉壓載荷時疲勞壽命的預(yù)測問題，具體涉及一種基于 表面完整性的鈦合金材料的低周疲勞時效方法，適用于汽車、航天航空、船舶和醫(yī)療中廣泛 使用的各種鈦合金材料。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著鈦合金在航空工業(yè)、汽車工業(yè)、船舶工業(yè)以及醫(yī)療領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，鈦合金的 低周疲勞損傷問題日益突出，這嚴(yán)重威脅了鈦合金結(jié)構(gòu)件的安全性和可靠性。航空航天設(shè) 備、船舶、軌道車輛等大型機(jī)械結(jié)構(gòu)，其服役環(huán)境的復(fù)雜性，載荷歷程的多變性，可能導(dǎo)致結(jié) 構(gòu)的突然失效，引起突發(fā)性事故。大型機(jī)械結(jié)構(gòu)的安全一直是工程界普遍關(guān)心與研究的 課題，這類系統(tǒng)的壽命分析與預(yù)測技術(shù)直接關(guān)系到國家經(jīng)濟(jì)利益和人民群眾的生命財產(chǎn)安 全，是關(guān)乎國計民生的重大問題，國內(nèi)外學(xué)者對此都極為關(guān)注。
[0003] 鈦合金結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的壽命預(yù)測技術(shù)與鈦合金結(jié)構(gòu)元件的使用壽命密切相關(guān)。在工程 中，構(gòu)件可能會因?yàn)槭艿礁鞣N載荷的作用而產(chǎn)生破壞，其中由于交變載荷而導(dǎo)致的疲勞破 壞占到了 50%~90%。隨著鈦合金機(jī)械構(gòu)件逐漸向大型化、復(fù)雜化和高溫、高速的使用環(huán) 境方向發(fā)展，不確定性因素大大增加，疲勞破壞現(xiàn)象更是層出不窮。因此，深入開展鈦合金 疲勞破壞問題的研究對促進(jìn)我國科技與國防事業(yè)發(fā)展和實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化有著十分重要的意義。
[0004]隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，鈦合金機(jī)械產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜，性能參數(shù)越來越高， 工作環(huán)境條件更加嚴(yán)酷，傳統(tǒng)的鈦合金疲勞壽命預(yù)測方法與工程實(shí)踐的矛盾逐漸顯現(xiàn)，究 其原因在于傳統(tǒng)的確定性方法不能很好地描述工程中客觀存在的不確定性現(xiàn)象。在實(shí)際的 服役條件下，工件往往承受著不確定的加載條件，因此，傳統(tǒng)的基于加載條件的疲勞壽命預(yù) 測方法將無法滿足工程發(fā)展需要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提出了一種基于表面完整性的鈦合金材料低周 疲勞壽命預(yù)測方法，該方法是通過工件材料的表面完整性指標(biāo)參數(shù)進(jìn)行疲勞壽命預(yù)測的， 有效的避免了由于實(shí)際工況下加載條件的不確定而引起的誤差，提高了鈦合金材料低周疲 勞壽命預(yù)測的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。
[0006] 本發(fā)明解決上述技術(shù)問題采用的技術(shù)方案為：一種基于表面完整性的鈦合金材料 低周疲勞壽命預(yù)測方法，包括如下步驟：
[0007] 步驟1:首先判斷需進(jìn)行低周疲勞壽命預(yù)測的工件材料是否為鈦合金材料，若是 鈦合金材料，則進(jìn)行步驟2,若不是鈦合金材料，則退出；
[0008] 步驟2 :根據(jù)工件結(jié)構(gòu)的幾何形狀，進(jìn)行有限元分析，得到工件結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布， 判斷工件結(jié)構(gòu)是否為低周疲勞；
[0009] 步驟3 :若工件結(jié)構(gòu)在危險點(diǎn)處產(chǎn)生塑性應(yīng)變，則為低周疲勞，進(jìn)入步驟4 ;否則， 退出；
[0010] 步驟4:在不同的切削條件下對工件材料對若干個相同的工件選取同一點(diǎn)，在不 同的切削條件下進(jìn)行切削加工，之后測量出各種切削條件下工件的表面粗糙度Ra和最大 表面殘余主應(yīng)力〇r;
[0011] 步驟5 :在拉壓加載條件下對經(jīng)步驟4切削加工后的工件材料進(jìn)行低周疲勞試驗(yàn)， 獲得一系列試驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)，由于疲勞壽命和應(yīng)力水平之間滿足雙對數(shù)線性關(guān)系，即S-N曲線 可采用最常用的冪指數(shù)形式：Sm ?N=C，因此兩邊同時取對數(shù)即可得到對數(shù)坐標(biāo)下S-N曲 線的線性回歸模型：lg〇_=a?lgNf+b，其中〇_為應(yīng)力控制試驗(yàn)的最大應(yīng)力，Nf為疲 5?壽命，a和b為待定系數(shù)；
[0012] 步驟6 :對步驟4中測得的表面粗糙度Ra與最大表面殘余主應(yīng)力〇r及步驟5中 對應(yīng)的待定系數(shù)a和b進(jìn)行擬合，確定關(guān)系式：
的各個材 料常數(shù)，其中殘余拉應(yīng)力取" + "，殘余壓應(yīng)力??；
[0013] 步驟7 :基于多項(xiàng)式回歸方程與正余弦回歸方程相結(jié)合的模型，建立鈦合金材料 低周疲勞壽命的預(yù)測模型為：
[0014]
[0015] 進(jìn)一步的，步驟4中所述的表面粗糙度Ra和最大表面殘余主應(yīng)力是同一種工 件材料在不同的切削條件下測量得到的結(jié)果。
[0016] 進(jìn)一步的，步驟5中所述的待定系數(shù)a和b是基于lg〇max_lgNf關(guān)系曲線采用線性 擬合方法確定的。
[0017] 進(jìn)一步的，步驟6中采用數(shù)據(jù)擬合的方法，對表面完整性指標(biāo)參數(shù)以及待定系數(shù)a 和b進(jìn)行回歸分析，獲得關(guān)系式中的材料常數(shù)。
[0018] 本發(fā)明的有益效果在于：
[0019] (1)利用表面完整性指標(biāo)參數(shù)進(jìn)行疲勞壽命預(yù)測可以避免因?qū)嶋H工況下載荷條件 的不確定性而引起的誤差，提高了預(yù)測的穩(wěn)定性和精度。
[0020] (2)基于表面完整性的鈦合金材料低周疲勞壽命預(yù)測方法中充分考慮了各種因素 對低周疲勞壽命的影響程度，引入了影響程度較大的表面粗糙度Ra和最大表面殘余主應(yīng) 力％，而忽略影響較小的表面層硬度，簡化了低周疲勞壽命預(yù)測模型，可以更加方便、迅速 地進(jìn)行低周疲勞壽命預(yù)測。
【附圖說明】
[0021] 圖1是本發(fā)明實(shí)施流程圖；
[0022] 圖2是本發(fā)明疲勞試驗(yàn)所用試樣尺寸圖；
[0023] 圖3是對應(yīng)于一種確定的切削條件下對TC4-DT鈦合金材料進(jìn)行低周疲勞試驗(yàn)后 所得到的lg〇 _與IgNf的關(guān)系圖；
[0024]圖4是對應(yīng)于一種確定的切削條件下TC4-DT鈦合金材料基于表面完整性指標(biāo)參 數(shù)進(jìn)行低周疲勞壽命的預(yù)測結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的對比圖。
【具體實(shí)施方式】
[0025] 下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0026] 本發(fā)明是一種基于表面完整性的鈦合金材料低周疲勞壽命預(yù)測方法，其過程如圖 1所示，下面以TC4-DT鈦合金材料為例，詳細(xì)介紹本發(fā)明的實(shí)施步驟：
[0027] 步驟1:判斷出TC4-DT是一種新型鈦合金材料，故可以進(jìn)入步驟2;
[0028] 步驟2:對TC4-DT工件結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，獲得其應(yīng)力分布，判斷是否為低周疲 勞；
[0029] 步驟3:發(fā)現(xiàn)TC4-DT工件結(jié)構(gòu)在危險點(diǎn)處產(chǎn)生了塑性應(yīng)變，因此可以判斷是低周 疲勞，進(jìn)入步驟4;
[0030] 步驟4 :設(shè)置不同的切削參數(shù)，包括切削速度、進(jìn)給速度和切削深度等，對TC4-DT 鈦合金材料進(jìn)行切削加工，結(jié)束后測量出不同切削條件下TC4-DT鈦合金的表面粗糙度Ra 和最大表面殘余主應(yīng)力〇p其具體數(shù)值如表1所示；
[0031] 步驟5:在拉壓加載條件下對TC4-DT鈦合金進(jìn)行低周疲勞試驗(yàn)，疲勞試樣，疲勞試 樣如圖2所示。通過對試驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行擬合，可以獲得lg〇_與lgNf之間的關(guān)系曲線，從而 確定關(guān)系式：lg〇 max=a?lgNf+b中的待定系數(shù)a和b，其數(shù)值如表1所示，圖3為對應(yīng)于 一種確定的切削條件下對TC4-DT鈦合金材料進(jìn)行低周疲勞試驗(yàn)后所得到的lg〇 _與IgNf 的關(guān)系圖；
[0032] 表1不同切削條件下TC4-DT鈦合金的表面粗糙度Ra、最大表面殘余主應(yīng)力％以 及對應(yīng)的待定系數(shù)a和b值
[0033]
[0034] 步驟6 :對表1中的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，求出關(guān)系式：
[0035] 步驟7 :將獲得的a、b與Ra和〇』勺函數(shù)關(guān)系帶入關(guān)系式lg〇 max=a?lgNf+b 中，即可得到基于表面完整性的鈦合金材料低周疲勞壽命預(yù)測模型：
[0036]
[0037] 圖4為對應(yīng)于一種確定的切削條件下TC4-DT鈦合金材料基于表面完整性指標(biāo)參 數(shù)進(jìn)行低周疲勞壽命的預(yù)測結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的對比圖。結(jié)果表明，本發(fā)明的方法可以準(zhǔn)確 地預(yù)測TC4-DT鈦合金材料的低周疲勞壽命。
[0038] 以上結(jié)合附圖對本發(fā)明的實(shí)例進(jìn)行了詳細(xì)的描述，但本發(fā)明不局限于上述具體的 實(shí)施方式，上述的【具體實(shí)施方式】僅是示例性的，不是局限性的，任何不超過本發(fā)明權(quán)利要求 的發(fā)明創(chuàng)造，均在本發(fā)明的保護(hù)之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于表面完整性的鐵合金材料低周疲勞壽命預(yù)測方法，其特征在于：包括如下 步驟： 步驟1:首先判斷需進(jìn)行低周疲勞壽命預(yù)測的工件材料是否為鐵合金材料，若是鐵合 金材料，則進(jìn)行步驟2,若不是鐵合金材料，則退出； 步驟2 :根據(jù)工件結(jié)構(gòu)的幾何形狀，進(jìn)行有限元分析，得到工件結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布，判斷 工件結(jié)構(gòu)是否為低周疲勞； 步驟3:若工件結(jié)構(gòu)在危險點(diǎn)處產(chǎn)生塑性應(yīng)變，則為低周疲勞，進(jìn)入步驟4;否則，退 出； 步驟4:在不同的切削條件下對工件材料對若干個相同的工件選取同一點(diǎn)，在不同的 切削條件下進(jìn)行切削加工，之后測量出各種切削條件下工件的表面粗糖度Ra和最大表面 殘余主應(yīng)力Or; 步驟5 :在拉壓加載條件下對經(jīng)步驟4切削加工后的工件材料進(jìn)行低周疲勞試驗(yàn)，獲得 一系列試驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)，由于疲勞壽命和應(yīng)力水平之間滿足雙對數(shù)線性關(guān)系，即S-N曲線可采 用最常用的幕指數(shù)形式：S" ?N=C，因此兩邊同時取對數(shù)即可得到對數(shù)坐標(biāo)下S-N曲線的 線性回歸模型：lgOmax=a?IgNf+b，其中Omax為應(yīng)力控制試驗(yàn)的最大應(yīng)力，Nf為疲勞壽 命，a和b為待定系數(shù)； 步驟6 :對步驟4中測得的表面粗糖度Ra與最大表面殘余主應(yīng)力Of及步驟5中對應(yīng) 的待定系數(shù)a和b進(jìn)行擬合，確定關(guān)系式：料常數(shù)，其中殘余拉應(yīng)力取" + "，殘余壓應(yīng)力取; 步驟7 :基于多項(xiàng)式回歸方程與正余弦回歸方程相結(jié)合的模型，建立鐵合金材料低周 疲勞壽命的預(yù)測模型為：2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于表面完整性的鐵合金材料低周疲勞壽命預(yù)測方法，其特 征在于：步驟4中所述的表面粗糖度Ra和最大表面殘余主應(yīng)力Of是同一種工件材料在不 同的切削條件下測量得到的結(jié)果。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于表面完整性的鐵合金材料低周疲勞壽命預(yù)測方法，其特 征在于：步驟5中所述的待定系數(shù)a和b是基于IgOmgy-lgNf關(guān)系曲線采用線性擬合方法 確定的。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于表面完整性的鐵合金材料低周疲勞壽命預(yù)測方法，其特 征在于：步驟6中采用數(shù)據(jù)擬合的方法，對表面完整性指標(biāo)參數(shù)W及待定系數(shù)a和b進(jìn)行回 歸分析，獲得關(guān)系式中的材料常數(shù)。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于表面完整性的鈦合金材料低周疲勞壽命預(yù)測方法，考慮了在拉壓加載條件下鈦合金材料的低周疲勞失效模式，以表面完整性指標(biāo)參數(shù)為基礎(chǔ)，將多項(xiàng)式回歸模型與正余弦回歸模型相結(jié)合，建立了采用表面粗糙度Ra和最大表面殘余主應(yīng)力σr的組合來評估鈦合金材料低周疲勞壽命的預(yù)測模型，并最終提出一鐘基于表面完整性的鈦合金材料低周疲勞壽命預(yù)測方法。本發(fā)明能夠簡單快速并且精確地預(yù)測鈦合金材料的低周疲勞壽命，為零部件的可靠設(shè)計提供理論依據(jù)，指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)，具有一定的工程應(yīng)用價值。
【IPC分類】G01N3/08
【公開號】CN105203392
【申請?zhí)枴緾N201510518529
【發(fā)明人】陳明和, 杜舜堯, 朱知壽, 王新南
【申請人】南京航空航天大學(xué)
【公開日】2015年12月30日
【申請日】2015年8月21日