[发明专利]一种基于应变增量的疲劳极限快速预测方法

说明书

技术领域：

本发明属于材料疲劳极限快速预测领域。

背景技术：

目前，尚未出现能够揭示材料疲劳极限物理本质的成熟的理论模型，因而难以通过理论计算得到。对于应变时效硬化材料，在恒幅加载条件下，由它们的S-N曲线观察发现，通常在超过约10⁶疲劳循环周次后会出现一个“平台”。当应力幅低于平台应力时，试样可承受无限次的疲劳循环而不破坏，该平台应力称为疲劳极限σ_e(或耐久极限)。但对于一些不存在应变时效硬化的高强钢和铝合金等材料可能不存在疲劳极限，随着循环周次的增加，它们所能承受的应力幅不断下降，此时把试样能循环至10⁷周次而不破坏的最大应力幅作为疲劳极限。疲劳极限是长寿命机械和结构抗疲劳设计的基本数据，是金属材料微量塑性变形抗力的指标。

传统疲劳极限试验测定方法为基于数理统计的升降法和成组法，虽然广泛应用于工程实际生产中，但它们的试验周期特别长，耗费人力物力巨大，且数据分散性较大。因此，研究经济、高效、准确的疲劳极限快速预测技术具有重大的工程应用价值。目前研究较多的主要有两种方法：一种是关联预测法，另一种是红外热像法。

1关联预测法

工程上常选用一些较易测得的与疲劳极限有一定相关性的材料基本性能参数(如抗拉强度σ_TS)，来关联预测疲劳极限。基于大量疲劳实验数据，总结出对于大多数钢和铜合金，疲劳极限σ_e约为抗拉强度σ_TS的35％-50％。

结构钢对称弯曲疲劳极限σ_-1与抗拉强度σ_TS的经验比例关系：

σ_-2＝0.43σ_TS+38

σ_-1＝0.46σ_TS

材料轴向拉压疲劳极限σ_e与对称弯曲疲劳极限σ_-1的经验关系：

σ_e＝0.8σ_-1

材料轴向拉压疲劳极限σ_e与抗拉强度σ_TS的经验比例关系：

σ_e＝0.5σ_b(σ_b<1800MPa钢)

σ_e＝0.35σ_b(镁、铜和镍合金)

σ_e＝0.35σ_b(铝合金)

然而循环应力比R和试样的应力集中系数Kt都会严重影响预测的精度，但上述比例公式均没有体现出这些因素与材料疲劳极限值的关联性，它们只适用于R＝－1和K_t＝1的情况，且预测结果准确性不高。

马少俊、胡本润等在铝合金、结构钢和钛合金三种材料体系大量可靠疲劳数据的基础上，以屈服强度σ_y和弹性模量E为关联参数，综合考虑应力比R和应力集中系数Kt对材料疲劳极限σ_e值的影响，提出一种四参数经验公式用于快速预测疲劳极限。

由于疲劳极限与静力参数具有不同的物理意义，这些经验预测公式均是针对特定的材料体系，基于大量疲劳数据统计分析得到的，因此适用范围窄，精度较差。

2红外热像法

材料的疲劳损伤演化过程是非平衡热力学过程。红外热像法快速预测材料疲劳性能自1986年Curti等首次提出以来距今已有近30年的发展历史，目前仍是材料疲劳领域研究的热点之一。理论较为成熟，工程应用较多的红外热像法有Ristano法和Luong法。

基于热力学，疲劳极限可被定义为使材料开始发生微观塑性变形的最小应力水平(Risitano法/单线法)或材料固有耗散能发生突变的最小载荷(Luong法/双线法)。它赋予了疲劳极限一定的物理意义。

1)Risitano法

1986年，Curti等发现当应力幅低于材料疲劳极限时温升几乎没有变化，而当应力幅高于疲劳极限是会有比较明显的温升，且应力幅越大温升越高。材料疲劳极限与稳定温升阶段的温度值和初始温升速率有关，提出了一种快速预测材料疲劳极限的方法——采用最小二乘法拟合不同应力水平下的相对稳定温升值或初始温升速率，所得回归直线与应力横坐标的交点应力值即为疲劳极限(如图1)。LaRosa和Risitano采用多种不同材料和一些简单的构件，进一步证明了该方法的有效性，并将该方法命名为Risitano法。特征方程为：