一種材料的蠕變-疲勞壽命預(yù)測方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及壽命預(yù)測領(lǐng)域，尤其涉及一種材料的蠕變-疲勞壽命預(yù)測方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在能源動力、石油化工和航空航天等領(lǐng)域中，許多結(jié)構(gòu)部件長期運(yùn)行在高溫條件 下受應(yīng)變波形控制，循環(huán)失效周次往往不足IO 5次，即，在高溫低周疲勞載荷下，其壽命往往 受到蠕變、疲勞和蠕變疲勞交互作用等多種機(jī)制的制約。而蠕變疲勞交互作用條件下材料 的壽命預(yù)測是材料結(jié)構(gòu)完整性中最為重要的一個環(huán)節(jié)之一，因此對蠕變-疲勞壽命預(yù)測研 究是非常有意義的。
[0003] 自20世紀(jì)50年代以來，國內(nèi)外學(xué)者在對材料在蠕變-疲勞交互作用下破壞行為 的研究方面進(jìn)行了大量的研究工作，相繼提出了百余種蠕變疲勞壽命預(yù)測模型。一些壽命 預(yù)測模型受到了材料條件和試驗(yàn)條件的限制，影響材料蠕變疲勞交互作用壽命的因素有很 多，例如溫度、總應(yīng)變范圍和保持時間等。目前用于蠕變疲勞壽命預(yù)測的常見模型有頻率 修正模型、應(yīng)變范圍區(qū)分方法、時間分?jǐn)?shù)模型和延性耗竭模型。其中，頻率修正模型是經(jīng)典 Manson-Coffin方程關(guān)于保持時間的延伸，但是此模型僅粗略考慮了頻率以及塑性應(yīng)變范 圍對壽命的影響，并未從機(jī)理上解釋蠕變效應(yīng)對蠕變-疲勞壽命的影響；雖然應(yīng)變范圍區(qū) 分方法已經(jīng)形成了一套比較成熟的理論體系，并且衍生出了應(yīng)變能范圍區(qū)法等模型，但是 它依然以純唯象的方法為基礎(chǔ)，缺乏物理意義并且其參數(shù)擬合的步驟較為復(fù)雜；時間分?jǐn)?shù) 模型和延性耗竭模型也以線性累積損傷為基礎(chǔ)，這類方法存在物理意義并且通過損傷交互 圖可以較好地運(yùn)用于結(jié)構(gòu)部件中，但是時間分?jǐn)?shù)模型的壽命預(yù)測結(jié)果往往過于非保守而延 性耗竭模型又過于保守。
[0004] 由此可見，現(xiàn)在迫切需要研究一種新的蠕變-疲勞壽命預(yù)測方法，以滿足蠕變-疲 勞試驗(yàn)精度需求以及受蠕變-疲勞載荷工況的工程部件定壽需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明旨在提供一種基于應(yīng)變能密度耗散法 以及線性累計(jì)損傷法則的蠕變-疲勞壽命預(yù)測方法，以更好地實(shí)現(xiàn)材料在蠕變-疲勞交互 作用下的壽命預(yù)測。
[0006] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
[0007] -種材料的蠕變-疲勞壽命預(yù)測方法，包括以下步驟：
[0008] 步驟S1，在同一試驗(yàn)溫度下分別進(jìn)行材料的蠕變試驗(yàn)、疲勞試驗(yàn)和蠕變-疲勞交 互試驗(yàn)，并且所述疲勞試驗(yàn)和所述蠕變-疲勞交互試驗(yàn)在同一應(yīng)變速率和總應(yīng)變范圍下進(jìn) 行；
[0009] 步驟S2,根據(jù)所述蠕變試驗(yàn)的結(jié)果，建立雙對數(shù)坐標(biāo)下所述材料的失效應(yīng)變能密 度Wf與非彈性應(yīng)變能密度耗散率之間的函數(shù)關(guān)系；
[0010] 步驟S3,根據(jù)所述疲勞試驗(yàn)的結(jié)果，獲取所述材料在所述試驗(yàn)溫度、應(yīng)變速率和總 應(yīng)變范圍下每周次的疲勞損傷df;
[0011] 步驟S4,根據(jù)所述蠕變-疲勞交互試驗(yàn)的結(jié)果，得到所述材料在半壽命周次下的 滯后回線，并建立所述材料在最大拉伸應(yīng)變保持時間內(nèi)半壽命周次下的應(yīng)力σ (t)隨時間 t變化的函數(shù)關(guān)系；
[0012] 步驟S5,根據(jù)所述失效應(yīng)變能密度Wf與非彈性應(yīng)變能密度耗散率也之間的函數(shù) 關(guān)系、所述每周次的疲勞損傷df、以及所述在最大拉伸應(yīng)變保持時間內(nèi)半壽命周次下的應(yīng) 力σ (t)隨時間t變化的函數(shù)關(guān)系，并結(jié)合半壽命周次下的所述滯后回線，計(jì)算得到半壽命 周次下的蠕變損傷d。；
[0013] 步驟S6,利用線性累積損傷法則，根據(jù)所述材料每周次的疲勞損傷df以及半壽命 周次下的蠕變損傷d。預(yù)測所述材料在蠕變-疲勞交互作用下的蠕變-疲勞壽命 Q
[0014] 進(jìn)一步地，所述步驟S2中建立的所述失效應(yīng)變能密度wf與所述非彈性應(yīng)變能密 度耗散率之間的函數(shù)關(guān)系表示為：
[0015] ⑴，：
[0016] 在式（1)中，BJP n i分別表示與溫度無關(guān)的兩個材料線性回歸常數(shù)，T表示所述 蠕變試驗(yàn)的試驗(yàn)溫度，Q表示在所述試驗(yàn)溫度下的熱激活能，R表示通用氣體常數(shù)，為恒定 值 8. 314X10 3kX/(K · mol)，其中，
[0017]
[0018] (3)，
[0019] 在式⑵和式⑶中，〇表示所述蠕變試驗(yàn)中施加的蠕變應(yīng)力值，ε ￡和tR分別 表示所述蠕變試驗(yàn)中獲取的真蠕變延性和蠕變斷裂時間。
[0020] 進(jìn)一步地，所述步驟S3包括通過式（5)計(jì)算所述材料每周次的疲勞損傷df:
[0021]
(5),
[0022] 在式（5)中，N。表示所述材料在所述疲勞試驗(yàn)的試驗(yàn)條件下的疲勞壽命。
[0023] 進(jìn)一步地，在所述步驟S4中建立的所述材料在最大拉伸應(yīng)變保持時間內(nèi)半壽命 周次下的應(yīng)力σ (t)隨時間t變化的函數(shù)關(guān)系表示為：
[0024]
[0025] 在式（6)中，〇。、Δ %和t分別表示半壽命周次下的最大應(yīng)力、塑性應(yīng)變范圍以 及最大拉伸應(yīng)變保持時間，A和B分別表示依賴于材料特征的線性回歸常數(shù)。
[0026] 進(jìn)一步地，所述步驟S5包括：
[0027] 步驟S51，根據(jù)半壽命周次下的所述滯后回線計(jì)算所述材料的非彈性應(yīng)變能密度 Win，表不為： _8]
(7)，
[0029] 在式（7)中，E表示所述材料在所述蠕變-疲勞交互試驗(yàn)的試驗(yàn)溫度下的彈性模 量；
[0030] 步驟S52,對非彈性應(yīng)變能密度Win進(jìn)行修正，修正后的非彈性應(yīng)變能密度μΓ"#: 表示為：
[0031]
[0032] 在式（8)中，表示所述材料在半壽命周次下的平均應(yīng)力；
[0033] 步驟S53,對式⑶進(jìn)行微分，得到修正后的非彈性應(yīng)變能密度耗散率
[0034]
[0035] 在式（9)中，#表示所述材料在最大拉伸應(yīng)變保持時間內(nèi)半壽命周次下的應(yīng)力松 弛率；
[0036] 步驟S54,對式（6)進(jìn)行微分，得到：
[0037]
[0038] 步驟S55,將式（6)和（10)代入式（9)，得到：
[0039]
[0040]
[0041] 步驟S56,當(dāng)所述蠕變試驗(yàn)中不存在臨界失效應(yīng)變能密度wf。時，通過式（12a)計(jì) 算半壽命周次下的所述蠕變損傷d。：
[0042]
[0043] 當(dāng)所述懦變試驗(yàn)中存在所述臨界失效應(yīng)變能密度wf。時，通過式（12b)計(jì)算半壽命 周次下的所述蠕變損傷d。：
[0044]
[0045] 步驟S57,將式（1)和（11)代入式（12a)得到所述蠕變試驗(yàn)中不存在臨界失效應(yīng) 變能密度w f。時的所述蠕變損傷d
[0046]
[0048]
[0047] 將式⑴和（11)代入式（12b)得到所述蠕變試驗(yàn)中存在臨界失效應(yīng)變能密度wf。 時的所述蠕變損傷d。：
[0049] ?
[0050] 進(jìn)一步地，在所述步驟S6中，根據(jù)所述線性累積損傷法則，得到所述材料在蠕 變-疲勞交互作用下的蠕變-疲勞壽命iV；:
[0051]
[0052] 將式⑴以及（13a)代入式（14)，得到所述蠕變試驗(yàn)中不存在臨界失效應(yīng)變能密 度w f。時對應(yīng)的蠕變-疲勞壽命< :
[0053]
[0054] 或者，將式（1)以及（13c)代入式（14)，得到所述蠕變試驗(yàn)中存在臨界失效應(yīng)變能 密度w f。時對應(yīng)的蠕變-疲勞壽命:
[0055]
[0056]
[0057] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn)：
[0058] 1)能夠更加精確地預(yù)測材料在蠕變疲勞交互作用下的壽命，并且考慮到了失效應(yīng) 變能密度公式，平均應(yīng)力以及應(yīng)力松弛行為等三個方面的因素；
[0059] 2)本發(fā)明以能量準(zhǔn)則為基礎(chǔ)，有清晰的物理意義；
[0060] 3)本發(fā)明具