專利名稱：結(jié)構(gòu)鋼低載強(qiáng)化特性的確定方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種結(jié)構(gòu)鋼低載強(qiáng)化特性的確定方法，尤其是一種用于抗拉強(qiáng)度范圍從200MPa到2300Mpa的結(jié)構(gòu)鋼低載強(qiáng)化特性的確定方法。
背景技術(shù)：
低于疲勞極限的低幅載荷對強(qiáng)度(包括靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度)的強(qiáng)化現(xiàn)象(又稱次載鍛煉或低載強(qiáng)化)早已引起人們的注意。所謂低載強(qiáng)化，是指讓試件經(jīng)受一定次數(shù)的較低的載荷反復(fù)作用(鍛煉)后，試件強(qiáng)度得到強(qiáng)化或提高的現(xiàn)象。以前只針對這種現(xiàn)象進(jìn)行研究，沒有系統(tǒng)的提出材料或結(jié)構(gòu)的低載強(qiáng)化特性，因此很難直接使用。
結(jié)構(gòu)鋼的低載強(qiáng)化特性指材料或結(jié)構(gòu)在低于疲勞極限以下的強(qiáng)化載荷鍛煉下，材料或結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度和疲勞壽命變化規(guī)律，具體包括強(qiáng)化載荷與強(qiáng)化后疲勞壽命之間的數(shù)學(xué)關(guān)系；低載強(qiáng)化次數(shù)和強(qiáng)化后疲勞壽命之間的數(shù)學(xué)關(guān)系；強(qiáng)化載荷、低載強(qiáng)化次數(shù)和強(qiáng)化后疲勞壽命之間的三維數(shù)學(xué)關(guān)系，即低載強(qiáng)化空間曲面。
在現(xiàn)有的疲勞損傷理論中，人們常常將損傷的難以計(jì)算和計(jì)算不準(zhǔn)歸結(jié)為載荷次序的交互影響。實(shí)際上，除了載荷次序的影響難以考慮以外，低載強(qiáng)化的忽略也是壽命估計(jì)不準(zhǔn)的一個(gè)重要因素。事實(shí)上，在隨機(jī)載荷環(huán)境下，結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度在不斷的發(fā)生強(qiáng)化和弱化，對于某個(gè)給定等級(jí)的載荷，其對結(jié)構(gòu)或材料造成的損傷或強(qiáng)化與其作用時(shí)強(qiáng)度的當(dāng)前值關(guān)系很大。過去在處理載荷譜或壽命計(jì)算時(shí)，把低于疲勞極限或相當(dāng)于疲勞極限的某個(gè)比例的低幅載荷人為的刪去，從損傷計(jì)算和加速試驗(yàn)兩方面看是對的。有時(shí)低于疲勞極限的某些載荷的確也會(huì)造成損傷，但是適當(dāng)?shù)拇屋d鍛煉有可能提高疲勞強(qiáng)度卻未在描述疲勞過程時(shí)加以考慮。因此，可以得到，如果不能掌握材料或結(jié)構(gòu)的低載強(qiáng)化特性，就不能在設(shè)計(jì)中和實(shí)際使用中考慮材料或結(jié)構(gòu)的低載強(qiáng)化，使材料的固有潛能不能得到充分的發(fā)揮。
當(dāng)我們知道了材料或結(jié)構(gòu)的低載強(qiáng)化特性后，就可以在設(shè)計(jì)時(shí)有目的的將結(jié)構(gòu)的最佳強(qiáng)化應(yīng)力與其主要使用載荷相對應(yīng)，隨著使用時(shí)間和過程的推移，結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度不斷得到強(qiáng)化和提高。因此，可以通過對傳統(tǒng)材料在疲勞強(qiáng)度理論研究和低載強(qiáng)化特性掌握基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)可靠性方面的優(yōu)化設(shè)計(jì)。它以保證使用可靠性為目標(biāo)，可以使傳統(tǒng)材料或新材料的強(qiáng)度潛力得到充分發(fā)揮，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的輕量化，同時(shí)成本降低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是要提供一種結(jié)構(gòu)鋼低載強(qiáng)化特性的確定方法，該方法能得到結(jié)構(gòu)鋼的低載強(qiáng)化特性是實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)的重要依據(jù)之一。
本發(fā)明技術(shù)方案，一種結(jié)構(gòu)鋼低載強(qiáng)化特性的確定方法，其特點(diǎn)是，方法步驟為第一、測量結(jié)構(gòu)鋼在中壽命的S-N曲線；第二、低載強(qiáng)化的定性實(shí)驗(yàn)，通過不同大小的低幅載荷進(jìn)行強(qiáng)化試驗(yàn)，得到具有強(qiáng)化效果的載荷的大致區(qū)間范圍和強(qiáng)化后壽命提高的大致趨勢；第三、低載強(qiáng)化的定量實(shí)驗(yàn)，在給定載荷下采用不同的強(qiáng)化次數(shù)進(jìn)行強(qiáng)化試驗(yàn)，得到強(qiáng)化效果最好(即疲勞壽命最高)的最小強(qiáng)化次數(shù)。
第四、低載強(qiáng)化數(shù)值試驗(yàn)，根據(jù)低載強(qiáng)化定量定性試驗(yàn)、數(shù)值插值以及曲面擬合，得到結(jié)構(gòu)鋼的低載強(qiáng)化特性，包括強(qiáng)化載荷與強(qiáng)化后疲勞壽命之間的數(shù)學(xué)關(guān)系；低載強(qiáng)化次數(shù)和強(qiáng)化后疲勞壽命之間的數(shù)學(xué)關(guān)系；強(qiáng)化載荷、低載強(qiáng)化次數(shù)和強(qiáng)化后疲勞壽命之間的三維數(shù)學(xué)關(guān)系，即低載強(qiáng)化空間曲面。
本發(fā)明的有益效果是通過本方法掌握了材料的低載強(qiáng)化特性，可以在設(shè)計(jì)時(shí)有目的的將結(jié)構(gòu)的最佳強(qiáng)化應(yīng)力與該結(jié)構(gòu)的主要使用載荷相對應(yīng)，隨著使用時(shí)間和過程的推移，結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度不斷得到強(qiáng)化或提高，可以大大降低疲勞強(qiáng)度衰減的速度，延長使用壽命。為急需開展的結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)和技術(shù)支持，為提升我國的現(xiàn)代化設(shè)計(jì)水平打下基礎(chǔ)，為社會(huì)創(chuàng)造巨大的經(jīng)濟(jì)效益。


圖1是低載強(qiáng)化三維空間曲面；圖中x方向?yàn)閺?qiáng)化載荷(kN)，y方向?yàn)閺?qiáng)化次數(shù)(105次)，z方向?yàn)閺?qiáng)化后的疲勞壽命(105次)。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合具體實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。
為了消除材質(zhì)、尺寸、表面加工、工藝處理等方面引起的差異，增加針對性，以高強(qiáng)度齒輪為例對結(jié)構(gòu)鋼低載強(qiáng)化特性的確定方法進(jìn)行描述。
齒輪的材料為Mn-Cr鋼。齒輪模數(shù)2.3mm，齒數(shù)20，壓力角17.5°，變位量1.5。表面采用碳氮共滲工藝強(qiáng)化，滲層深度0.5mm。齒面硬度58～62，心部硬度為HRC40。單齒彎曲屈服強(qiáng)度1700MPa，極限強(qiáng)度2300MPa。疲勞試驗(yàn)在Amsler HFP100型高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，加載頻率為74Hz，循環(huán)比r＝0.11，加載精度為0.001kN。
1、結(jié)構(gòu)鋼低載強(qiáng)化特性參數(shù)的確定步驟(1)測量結(jié)構(gòu)鋼在中壽命的S-N曲線；(2)低載強(qiáng)化的定性實(shí)驗(yàn)，通過不同大小的低幅載荷進(jìn)行強(qiáng)化試驗(yàn)，得到具有強(qiáng)化效果的載荷的大致區(qū)間范圍和強(qiáng)化后壽命提高的大致趨勢；(3)低載強(qiáng)化的定量實(shí)驗(yàn)，在給定載荷下采用不同的強(qiáng)化次數(shù)進(jìn)行強(qiáng)化試驗(yàn)，得到強(qiáng)化效果最好(即疲勞壽命最高)的最小強(qiáng)化次數(shù)；(4)低載強(qiáng)化數(shù)值試驗(yàn)，根據(jù)低載強(qiáng)化定量定性試驗(yàn)、數(shù)值插值以及曲面擬合，得到結(jié)構(gòu)鋼的低載強(qiáng)化特性，包括強(qiáng)化載荷與強(qiáng)化后疲勞壽命之間的數(shù)學(xué)關(guān)系；低載強(qiáng)化次數(shù)和強(qiáng)化后疲勞壽命之間的數(shù)學(xué)關(guān)系；即低載強(qiáng)化的三維空間曲面。
2.具體實(shí)例驗(yàn)證
(1)S-N曲線測定對于結(jié)構(gòu)鋼S-N曲線的中壽命段在對數(shù)坐標(biāo)下為直線，理論上有兩個(gè)精確的點(diǎn)就可以確定中壽命段的S-N曲線。試驗(yàn)時(shí)選取高低兩級(jí)載荷進(jìn)行疲勞壽命試驗(yàn)。按估計(jì)平均壽命為1×105、3×105次對載荷進(jìn)行選取，小載荷的當(dāng)量幅值取4.684kN；大載荷的當(dāng)量幅值取4.889kN。每組試驗(yàn)7～11個(gè)齒。試驗(yàn)結(jié)果見表1。
表1 S-N曲線測定試驗(yàn)數(shù)據(jù)

注1kN相當(dāng)于86.35MPa。
由表1中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合成載荷-壽命曲線(P-N曲線)和應(yīng)力-壽命曲線(S-N曲線)的表達(dá)式如下P＝7.7912-0.5747lgNS＝676.9075-50.4767lgN式中，P—載荷(kN)，N—疲勞壽命(次)，S—應(yīng)力(MPa)。
為了驗(yàn)證S-N曲線在整個(gè)中壽命區(qū)的準(zhǔn)確性，用式(1)估算60萬次對應(yīng)的載荷幅值為4.470kN(385.985MPa)，用該載荷對齒輪進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，驗(yàn)證壽命為675300次。計(jì)算值與試驗(yàn)值之間的誤差為12.55％，說明得到的S-N曲線有較高的可信度。
對于汽車零件，常用2×106次壽命對應(yīng)的應(yīng)力作為彎曲疲勞極限，由式(1)可以得到200萬次壽命的對應(yīng)載荷(當(dāng)量幅值)為4.170kN(360.08MPa)，我們以此載荷作為該齒輪的彎曲疲勞極限，并作為低載強(qiáng)化定性試驗(yàn)中選取小載荷的參考基準(zhǔn)。
(2)低載強(qiáng)化定性試驗(yàn)先給定的小載荷強(qiáng)化30萬次，再在大載荷下驗(yàn)證壽命的變化。根據(jù)得到的齒輪疲勞極限載荷，鍛煉小載荷的當(dāng)量幅值取3.127kN～3.962kN，相當(dāng)于在0.75～0.95σ-1附近進(jìn)行鍛煉，驗(yàn)證高載荷的當(dāng)量幅值取4.889kN。試驗(yàn)結(jié)果如表2。
表2 低載強(qiáng)化定件試驗(yàn)結(jié)果

從表2中可以看出，當(dāng)強(qiáng)化載荷幅值為3.336kN～3.962kN時(shí)，大載荷所對應(yīng)的壽命均大于S-N曲線上同樣載荷下的平均壽命，證明了強(qiáng)化區(qū)間的存在。
幅值為3.545kN的載荷有最好的強(qiáng)化效果。強(qiáng)化載荷幅值為3.127kN時(shí)，未對齒輪產(chǎn)生強(qiáng)化，但也未使齒輪產(chǎn)生損傷，說明載荷低于3.127kN的載荷可按小載荷處理，即在進(jìn)行隨機(jī)疲勞試驗(yàn)或進(jìn)行壽命估算時(shí)可以刪去。表2中，載荷為3.127kN時(shí)對應(yīng)的壽命低于S-N曲線上4.889kN對應(yīng)的平均壽命，主要是因?yàn)樵嚰?qiáng)度分散性的存在。
由此，就可以初步認(rèn)為，有強(qiáng)化效果的載荷區(qū)域大致位于3.127kN～3.962kN的范圍之內(nèi)，而小于3.127kN的載荷將屬于無效載荷，它們既不產(chǎn)生強(qiáng)化也不造成損傷。
(3)低載強(qiáng)化定量試驗(yàn)通過試驗(yàn)，考察不同的強(qiáng)化次數(shù)對強(qiáng)化效果的影響，同時(shí)尋找具有最佳強(qiáng)化效果下的強(qiáng)化次數(shù)。為此，選擇定性試驗(yàn)中強(qiáng)化效果較明顯的載荷為強(qiáng)化載荷，本試驗(yàn)選擇當(dāng)量幅值為3.327kN作為強(qiáng)化載荷，選擇不同的鍛煉次數(shù)，即2×105、3×105、4×105，分別對不同試樣(每3個(gè)為一組)進(jìn)行強(qiáng)化試驗(yàn)。然后在大載荷下驗(yàn)證壽命的變化，選取的驗(yàn)證載荷與低載強(qiáng)化定性試驗(yàn)相同。試驗(yàn)結(jié)果見表3。
表3 低載強(qiáng)化定量試驗(yàn)結(jié)果

從表3中可以看到，強(qiáng)化次數(shù)在區(qū)間[200000，300000]內(nèi)效果明顯，隨著次數(shù)的增加強(qiáng)化效果越來越顯著。在40萬次強(qiáng)化之后，平均壽命只有149000，表明在30萬次之后，強(qiáng)化效果呈整體下降趨勢。強(qiáng)化次數(shù)為30萬次具有相對來說最好的強(qiáng)化效果，次數(shù)在[200000，380000]范圍內(nèi)都可以使強(qiáng)化后的疲勞壽命提高55％以上。
(4)數(shù)值試驗(yàn)A.定性試驗(yàn)從表2中可知，可以初步認(rèn)為，有強(qiáng)化效果的載荷區(qū)域大致位于3.12kN到3.96kN之間，小于3.12kN的載荷將屬于無效載荷，它們既不產(chǎn)生強(qiáng)化也不造成損傷，可按小載荷處理，疲勞試驗(yàn)時(shí)可以刪去。
表2中的5個(gè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)覆蓋了從無效載荷到強(qiáng)化最佳載荷再到次佳強(qiáng)化載荷區(qū)域。為了描述此段載荷對強(qiáng)化后疲勞壽命的影響程度及其定量關(guān)系，需要通過插值增加數(shù)據(jù)。
通過數(shù)值插值和多項(xiàng)式擬合。并經(jīng)過反復(fù)對比，發(fā)現(xiàn)5次多項(xiàng)式可以較好的描述強(qiáng)化載荷與強(qiáng)化壽命的關(guān)系，即
z＝-20.648x4+300.99x3-1645.9x2+4000.7x-3644.2式中，z—強(qiáng)化后的疲勞壽命(105次)，x—強(qiáng)化載荷(kN)。
具有強(qiáng)化效果的載荷區(qū)間為3.12kN到3.94kN，最佳強(qiáng)化載荷為3.53kN。
強(qiáng)化后的平均驗(yàn)證最長壽命對應(yīng)原有S-N曲線的當(dāng)量載荷幅值4.70kN，即強(qiáng)化前當(dāng)量載荷幅值4.70kN與強(qiáng)化后當(dāng)量載荷幅值4.89kN的載荷具有相同的壽命，說明疲勞強(qiáng)度得到了提高，提高的最大比例為4.04％。
B.定量試驗(yàn)從表3中可知，強(qiáng)化次數(shù)在20到30萬次之間，最佳強(qiáng)化載荷(3.53kN)隨著載荷強(qiáng)化次數(shù)的增加，強(qiáng)化效果越來越顯著；當(dāng)強(qiáng)化次數(shù)超過40萬次后，平均壽命只有14.9萬次。這表明強(qiáng)化次數(shù)超過30萬次之后，強(qiáng)化效果呈整體下降趨勢。
表3中的4個(gè)數(shù)據(jù)覆蓋了從無效強(qiáng)化次數(shù)到最佳強(qiáng)化次數(shù)再到次佳強(qiáng)化次數(shù)區(qū)域。同樣，在表3數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，通過插值增加數(shù)據(jù)，并用最小二乘法進(jìn)行多項(xiàng)式擬合。得到7次多項(xiàng)式具有比較好的擬合強(qiáng)化次數(shù)與強(qiáng)化壽命的關(guān)系，即z＝0.0101y7-0.2896y6+3.3148y5-19.869y4+67.728y3-131.94y2+137.17y-57.475式中，z-強(qiáng)化后的疲勞壽命(105次)，y—強(qiáng)化次數(shù)(105次)。
最佳強(qiáng)化次數(shù)為30萬次，強(qiáng)化后其疲勞壽命所能提高的最大比例為100.9％。
通過低載強(qiáng)化的數(shù)值試驗(yàn)建立了兩個(gè)一元函數(shù)關(guān)系，它們反映了強(qiáng)化次數(shù)一定時(shí)，疲勞壽命與強(qiáng)化載荷之間，以及強(qiáng)化載荷一定時(shí)，疲勞壽命與強(qiáng)化次數(shù)之間的數(shù)學(xué)關(guān)系。
為了更直觀地表示疲勞壽命是由強(qiáng)化載荷以及強(qiáng)化次數(shù)共同作用的結(jié)果，必須建立出低載強(qiáng)化的三維空間曲面(圖1)，全面考慮疲勞壽命提高的最大比例。作以下兩點(diǎn)假設(shè)●低載強(qiáng)化空間曲面在強(qiáng)化區(qū)域內(nèi)，垂直于y軸(強(qiáng)化次數(shù))的所有切面上均為4次曲線，且曲線最高點(diǎn)的x軸上坐標(biāo)相同。
●低載強(qiáng)化空間曲面在強(qiáng)化區(qū)域內(nèi)，垂直于x軸(強(qiáng)化載荷)的所有切面上均為7次曲線。
在以上假設(shè)的基礎(chǔ)上，通過插值，得到低載強(qiáng)化空間曲面的離散點(diǎn)三維坐標(biāo)，結(jié)果見表4。
表4 低載強(qiáng)化三維空間曲面試驗(yàn)數(shù)據(jù) 利用軟件對表3中的數(shù)據(jù)進(jìn)行曲面擬合，就可以得到描述疲勞壽命隨著低載強(qiáng)化載荷以及強(qiáng)化次數(shù)的改變而發(fā)生變化的低載強(qiáng)化空間強(qiáng)化規(guī)律。擬合出的曲面方程為lnz=a+bx2+cx2lnx+dxlnx+elny]]>+fy+gy1.5+hlnyy2+iy2]]>式中，z-強(qiáng)化后的疲勞壽命(105次)，x—強(qiáng)化載荷(kN)，y—強(qiáng)化次數(shù)(105次)。擬合曲面方程的參數(shù)及其統(tǒng)計(jì)值見表5，擬合的曲面如圖1所示。
表5 強(qiáng)化曲面方程的參數(shù)

權(quán)利要求
1.一種結(jié)構(gòu)鋼低載強(qiáng)化特性參數(shù)的確定方法，其特征在于第一、測量結(jié)構(gòu)鋼在中壽命的S-N曲線；第二、低載強(qiáng)化的定性實(shí)驗(yàn)，通過不同大小的低幅載荷進(jìn)行強(qiáng)化試驗(yàn)，得到具有強(qiáng)化效果的載荷的區(qū)間范圍和強(qiáng)化后壽命提高的大致趨勢；第三、低載強(qiáng)化的定量實(shí)驗(yàn)，在給定載荷下采用不同的強(qiáng)化次數(shù)進(jìn)行強(qiáng)化試驗(yàn)，得到疲勞壽命最高的最小強(qiáng)化次數(shù)；第四、低載強(qiáng)化數(shù)值試驗(yàn)，根據(jù)低載強(qiáng)化定量定性試驗(yàn)、數(shù)值插值以及曲面擬合，得到結(jié)構(gòu)鋼的低載強(qiáng)化特性，包括強(qiáng)化載荷與強(qiáng)化后疲勞壽命之間的數(shù)學(xué)關(guān)系；低載強(qiáng)化次數(shù)和強(qiáng)化后疲勞壽命之間的數(shù)學(xué)關(guān)系；強(qiáng)化載荷、低載強(qiáng)化次數(shù)和強(qiáng)化后疲勞壽命之間的三維數(shù)學(xué)關(guān)系，即低載強(qiáng)化空間曲面。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種結(jié)構(gòu)鋼低載強(qiáng)化特性的確定方法，其步驟是1.測量結(jié)構(gòu)鋼在中壽命的S－N曲線；2.低載強(qiáng)化的定性實(shí)驗(yàn)，通過不同大小的低幅載荷進(jìn)行強(qiáng)化試驗(yàn)，得到具有強(qiáng)化效果的載荷的大致區(qū)間范圍和強(qiáng)化后壽命提高的大致趨勢；3.低載強(qiáng)化的定量實(shí)驗(yàn)，在給定載荷下采用不同的強(qiáng)化次數(shù)進(jìn)行強(qiáng)化試驗(yàn)，得到強(qiáng)化效果最好(即疲勞壽命最高)的最小強(qiáng)化次數(shù)；4.低載強(qiáng)化數(shù)值試驗(yàn)，根據(jù)低載強(qiáng)化定量定性試驗(yàn)、數(shù)值插值以及曲面擬合，得到結(jié)構(gòu)鋼的低載強(qiáng)化特性，包括強(qiáng)化載荷與強(qiáng)化后疲勞壽命之間的數(shù)學(xué)關(guān)系；低載強(qiáng)化次數(shù)和強(qiáng)化后疲勞壽命之間的數(shù)學(xué)關(guān)系；強(qiáng)化載荷、低載強(qiáng)化次數(shù)和強(qiáng)化后疲勞壽命之間的三維數(shù)學(xué)關(guān)系，即低載強(qiáng)化空間曲面。
文檔編號(hào)G01N3/08GK1821742SQ200610024988
公開日2006年8月23日 申請日期2006年3月23日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月23日
發(fā)明者鄭松林, 盧曦, 方偉榮, 褚超美 申請人:上海理工大學(xué)