[发明专利]氮化硅结合碳化硅耐火陶瓷的疲劳寿命预测方法

摘要

本发明公开了一种氮化硅结合碳化硅耐火陶瓷的疲劳寿命预测方法，该预测方法综合考虑了材料所受的平均载荷、载荷梯度、尺寸效应以及疲劳极限的不确定性的影响因素，充分展现了交变负荷作用下初始缺陷处的应力集中情况，结合实际工况和改进后的裂纹扩展公式‑Forman公式，将模糊理论与经典Miner线性损伤累积法则相结合，建立了复杂载荷作用下氮化硅结合碳化硅耐火陶瓷裂纹形成寿命和裂纹扩展寿命的预测模型。本发明方法从宏细观方面提高了对陶瓷材料进行疲劳寿命预测的精度，较大地减小了传统脆性陶瓷材料在寿命预测方面的误差，在作为氮化硅结合碳化硅耐火陶瓷疲劳寿命预测和维修决策的依据的同时，也为颗粒增强型陶瓷材料的疲劳寿命预测提供了依据。

主权项

1.一种氮化硅结合碳化硅耐火陶瓷的疲劳寿命预测方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：首先结合氮化硅结合碳化硅耐火陶瓷运用的工程实际及其自身的细观函数关系，从宏观和细观方面探究氮化硅结合碳化硅耐火陶瓷在缺陷处的应力集中和损伤累积情况，将氮化硅结合碳化硅耐火陶瓷三相复合系统中的碳化硅颗粒相与界面相相结合生成复合球模型，用损伤参数D与界面相参数q可将其在稳态温度下的受拉损伤演化过程中的细观函数关系作表示如下：步骤2：综合裂纹生成的宏观和细观条件，充分考虑孔隙、缺口缺陷处所受的平均载荷、载荷梯度、疲劳极限的不确定性与尺寸效应的影响，结合模糊理论和Miner法则建立模糊Miner模型来表述材料的裂纹形成寿命：式中，N_f表示材料的裂纹形成寿命，即导致材料宏观裂纹生成的加载应力的循环次数；N₁表示导致材料失效的最大加载应力的循环次数；N₀表示导致材料微裂纹产生的加载应力的循环次数；N_i表示作用于材料的第i级加载应力的循环次数；σ_i即为第i级加载应力；σ_i(M)为第i级加载应力中最大的外界载荷应力值；σ_‑1为材料的疲劳极限；(σ_‑1)_i表示在第i级加载应力作用下材料的疲劳极限；α_i表示第i级加载应力的载荷强化系数；表示第i级加载应力的模糊隶属函数，用正态分布与Weibull分布来进行表示，其中为每次应力循环下材料损伤参数的模糊集；m、表示低幅载荷对材料裂纹成核寿命的强化系数；d为Miner法则下材料的裂纹形成寿命的预测直线斜率；m表示模糊Miner模型的作用系数；步骤3：根据外加载荷的频率和平均应力影响因素，将改进后的Forman公式代入步骤2中的模糊Miner模型，可得到材料的裂纹扩展寿命N_e的预测方法如下：式中，常数k与材料自身性质及其应用的实际环境工况有关；E为材料的弹性模量；f为疲劳载荷的频率；R为应力比，在此作为平均应力的表征；ΔK为应力强度因子幅值，是材料的应力幅值的表征；a为裂纹半长；N为循环次数；ΔK_th是引发裂纹扩展的门槛值；K_1c为材料的断裂韧性；p_i表示第i级载荷在总循环次数中出现的概率；a_c表示临界裂纹半长，a₀表示初始裂纹半长，d为Miner法则下材料的裂纹形成寿命的预测直线斜率；将外加载荷的相互作用及其加载顺序对裂纹扩展寿命的影响通过损伤参数D的不连续变化来加以表示，即：式中，Δa_i表示第i级载荷导致的裂纹扩展增量，Σ表示求和；系数A_i和B_i可确定裂纹扩展过程中的损伤累积范围，它们可通过如下所示的关于a₀与a_c的多组函数关系式加以求得：步骤4：将氮化硅结合碳化硅耐火陶瓷的裂纹形成寿命和裂纹扩展寿命结合后，氮化硅结合碳化硅耐火陶瓷的疲劳寿命预测由下式确定：其中，N_l和N_h分别代表最小和最大加载应力下氮化硅结合碳化硅耐火陶瓷的疲劳寿命，表示热应力衰减系数。