[发明专利]一种金属材料基于低周疲劳的热机械疲劳寿命预测方法

说明书

本发明公开了一种金属材料基于低周疲劳的热机械疲劳寿命预测方法，属于材料科学与工程应用技术领域。该方法首先建立金属材料热机械疲劳滞回能与同材料恒温(热机疲劳上限温度)低周疲劳滞回能定量关系，即两种疲劳滞回能差值与机械应变为线性关系，然后通过能量法进行寿命预测。该方法可以通过少量低周疲劳和热机械疲劳实验测试，即可实现不同机械应变的热机械疲劳寿命准确预测。该方法有效的降低了热机械疲劳寿命预测所需实验量，极大程度节约了时间、金钱和人力成本，且具有较高准确度，可以广泛应用于燃机叶片、内燃机缸盖和活塞等高温合金和耐热金属材料的热机械疲劳寿命预测。

技术领域

本发明涉及材料科学与工程应用技术领域，具体为一种金属材料基于低周疲劳的热机械疲劳寿命预测方法。

背景技术

金属材料，特别是高温合金和耐热材料，广泛应用于内燃机缸盖、活塞、燃机叶片等高温承力构件，在发动机工作过程中，金属材料同时承受温度载荷与机械载荷的变化。因此，易发生失效。根据失效分析，其最主要失效形式为热机械疲劳。如不能合理进行热机械疲劳寿命预测，会极大程度增加构件服役成本，降低构件服役安全性，并产生难以挽回的损伤。

目前，传统的热机械疲劳寿命预测，可以分为两类：或基于大量的热机械疲劳实验数据的拟合法、虽然预测精度较高，但所需实验量大，由于热机械疲劳实验过程复杂，不可预知性强，时间、人力、金钱成本均较高，因此这种方法在应用上有很大的局限性；或根据材料的物理和力学特性，通过复杂的理论推导进行测算，准确度相对较低，且计算复杂度极高，一些特殊参数获取条件苛刻，不适宜工业推广。因此，针对热机械疲劳失效问题，急需一种相对简单、准确的疲劳寿命预测方法。

发明内容

为了克服现有热机械疲劳寿命预测方法存在的问题，本发明提供了一种金属材料基于低周疲劳的热机械疲劳寿命预测方法，通过建立金属材料低周疲劳性能与热机械疲劳性能的关系，结合能量模型，即可实现热机械疲劳寿命的准确预测。该方法结合了基于大量实验数据的拟合法准确性高的优点，同时大量的降低了实验量需求，且无复杂的公式推导计算。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种金属材料基于低周疲劳的热机械疲劳寿命预测方法，该方法具体包括如下步骤：

(1)分析服役构件的服役工况，确定金属材料热机械疲劳的温度和机械应变范围，其中热机械疲劳载荷具备的特征为：机械载荷随时间周期性变化，温度随时间周期性变化。该步骤中，热机械疲劳实验温度范围及机械应变范围需根据实际工况条件选取，且机械载荷变化周期与温度载荷变化周期相同。若机械载荷与温度变化周期相同时，若温度峰值对应机械载荷峰值，则称之为同相；反之，若温度载荷谷值对应机械载荷峰值对应，则称之为反相位。该方法对于同相位及反向位热机械疲劳均适用。

(2)确定目标应变幅值，即确定进行热机械疲劳寿命预测的热应变和机械应变幅数值。

(3)选择金属材料进行恒温低周疲劳性能测试，获得低周疲劳中值滞回能W_a,LCF(滞回环面积)，并建立低周疲劳中值滞回能W_a,LCF与机械应变幅ε_mech之间的定量关系。低周疲劳实验温度需选择热机械疲劳工况对应的最高温度，低周疲劳实验需选择至少两个不同机械应变幅进行实验，每个应变幅至少进行一个有效数据的测试,且无需进行目标应变幅值条件下的低周疲劳测试。

(4)选择金属材料进行热机械疲劳性能测试，获得热机械中值滞回能W_a,TMF；热机械疲劳实验需选择至少两个不同机械应变幅进行实验，所选应变幅应与步骤(3)中所选相同。每个应变幅至少进行一个有效数据的测试；如果需要进行材料或构件可靠性分析，按照相关要求进行系统研究。