对热老化材料低周疲劳寿命的预测方法与流程

1.本发明涉及疲劳寿命的预测方法的技术领域，具体而言，涉及一种对热老化材料低周疲劳寿命的预测方法。


背景技术：

2.核电用材料服役环境恶劣，长期处于高温(280～320℃)、高压(15mpa左右)环境下，在这一条件下材料易发生微观结构转变导致热脆化，使得材料塑性、韧性降低而硬度、脆性增加，大幅提高了结构部件突发失效的风险，是影响核电站的安全运行的重要因素。
3.疲劳损伤是指材料在远低于抗拉强度水平的循环载荷作用下，不断产生永久性累积损伤，在循环若干次数后材料局部产生裂纹或突然发生完全断裂的过程。疲劳破坏是核电材料的主要失效形式，在热老化条件下的低周疲劳破坏更是核电材料的最主要的失效形式。因此对于热老化下的低周疲劳分析在设计中占有重要的地位。现有技术中，是通过实际在使用过程中进行检测的方法进行，没有形成理论预测的方法。


技术实现要素：

4.本发明提供了一种对热老化材料低周疲劳寿命的预测方法，解决了现有技术中的材料在热老化的低周疲劳寿命不能准确预测的问题。
5.根据本发明提供了一种对热老化材料低周疲劳寿命的预测方法，包括：s1确定材料在未老化的疲劳强度系数σ'f、疲劳强度指数b、循环强度系数k和循环应变硬化指数n，确定材料在不同老化时间下的疲劳强度系数σ'f、疲劳强度指数b、循环强度系数k和循环应变硬化指数n，并建立与老化时间的函数关系；s2根据k、n、σ'f、b确定疲劳延性系数ε'f和疲劳延性指数c与老化时间的关系；s3将σ'f、b、ε'f、c代入basquin-manson-coffin方程中，得到适用于不同老化时间的低周疲劳寿命预测方程。
6.进一步地，预测方法还包括：s4测量材料未老化及材料的老化的应变-寿命曲线。
7.进一步地，测量材料未老化及材料的老化的应变-寿命曲线具体为：材料在未老化时，在应变幅值分别为0.2％，0.3％，0.4％，0.6％及0.8％时的疲劳寿命随热老化时间的变化；材料在老化1000小时，在应变幅值分别为0.2％，0.3％，0.4％，0.6％及0.8％时的疲劳寿命随热老化时间的变化；材料在老化3000小时，在应变幅值分别为0.2％，0.3％，0.4％，0.6％及0.8％时的疲劳寿命随热老化时间的变化；材料在老化5000小时，在应变幅值分别为0.2％，0.3％，0.4％，0.6％及0.8％时的疲劳寿命随热老化时间的变化。
8.进一步地，材料的循环应力-应变行为反映了材料在低周疲劳加载条件下的真实应力-应变特性，其稳定条件下的应力幅与应变幅通常可以ramberg-osgood定律来表达:
[0009][0010]
其中，εa为总应变幅，σa/e为弹性应变部分，(σa/k)
1/n
为塑性应变部分，应力幅值取
半寿命处应力幅值。通过拟合不同应变幅值下塑性应变与应力幅值的数据，即可获得循环强度系数k和循环应变硬化指数n。
[0011]
进一步地，根据basquin-manson-coffin以及ramberg-osgood公式，通过最小二乘法拟合未老化及不同老化时间下应变幅值和应变幅的数据，可以得到相应的疲劳强度系数σ'f、疲劳强度指数b、循环强度系数k和循环应变硬化指数n。
[0012]
进一步地，将疲劳强度系数σ'f、疲劳强度指数b、循环强度系数k和循环应变硬化指数n与老化时间进行关联，这些参数与老化时间之间具有相近的指数型关系。
[0013]
进一步地，使用相同的方程形式，分别对每个参数与老化时间之间的关系进行拟合。拟合后疲劳强度系数σ'f与老化时间的关系如公式(3)所示，疲劳强度指数b与老化时间的关系如公式(4)所示，循环强度系数k与老化时间的关系如公式(5)所示，循环应变硬化指数n与老化时间关系如公式(6)所示。
[0014][0015][0016][0017][0018][0019]
进一步地，根据k、n、σ'f、b确定疲劳延性系数ε'f和疲劳延性指数c与老化时间的关系；
[0020]
将ramberg-osgood代入basquin-manson-coffin方程中，可以得到疲劳延性系数ε'f、疲劳延性指数c和另外四个参数之间的关系：
[0021][0022][0023]
将公式(3)-(6)代入公式(7)-(8)中。
[0024]
进一步地，得到疲劳延性系数εf、疲劳延性指数c与老化时间的关系：
[0025]
[0026][0027]
进一步地，将公式(2)、(3)、(7)、(8)代入basquin-manson-coffin方程中，可以得出材料16mnd5的适用于不同热老化时间的疲劳寿命预测方程式为：
[0028][0029]
进一步地，根据式(11)对材料进行低周疲劳寿命预测，与实际试验结果相对比，该预测模型结果与试验结果相比。
[0030]
应用本发明的技术方案，通过试验或者实际的疲劳实际低周疲劳寿命以及与参数建立函数关系，进行推导预测热老化材料低周疲劳寿命，这样能够提前预测材料的使用是否安全。本发明的技术方案有效地解决了现有技术中的材料在热老化的低周疲劳寿命不能准确预测的问题。
附图说明
[0031]
通过参考附图阅读下文的详细描述，本公开示例性实施方式的上述以及其他目的、特征和优点将变得易于理解。在附图中，以示例性而非限制性的方式示出了本公开的若干实施方式，并且相同或对应的标号表示相同或对应的部分，其中：
[0032]
图1示出了本实施例的对热老化材料低周疲劳寿命的预测方法的不同幅值下疲劳寿命随着热老化时间的变化的示意图；
[0033]
图2示出了图1的对热老化材料低周疲劳寿命的预测方法的老化和时间的关系的示意图；
[0034]
图3示出了图1的对热老化材料低周疲劳寿命的预测方法试验寿命的示意图。
具体实施方式
[0035]
需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
[0036]
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本技术提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本技术所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
[0037]
为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在
……
之上”、“在
……
上方”、“在
……
上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特
征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在
……
上方”可以包括“在
……
上方”和“在
……
下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位旋转90度或处于其他方位，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
[0038]
现在，将参照附图更详细地描述根据本公开的示例性实施方式。然而，这些示例性实施方式可以由多种不同的形式来实施，并且不应当被解释为只限于这里所阐述的实施方式。应当理解的是，提供这些实施方式是为了使得本技术的公开彻底且完整，并且将这些示例性实施方式的构思充分传达给本领域普通技术人员，在附图中，为了清楚起见，扩大了层和区域的厚度，并且使用相同的附图标记表示相同的器件，因而将省略对它们的描述。
[0039]
如图1至图3所示，本实施例的以核电常用中碳钢16mnd5材料在未老化及老化条件下的恒幅单轴拉压应变载荷谱为例，低周疲劳寿命的预测方法如下：
[0040]
(1)测量未老化及老化材料的应变-寿命曲线；
[0041]
(2)确定材料在未老化及不同老化时间下的疲劳强度系数σ'f、疲劳强度指数b、循环强度系数k和循环应变硬化指数n，并确定与老化时间的关系；
[0042]
(3)根据k、n、σ'f、b确定疲劳延性系数ε'f和疲劳延性指数c与老化时间的关系；
[0043]
(4)将σ'f、b、ε'f、c代入basquin-manson-coffin方程中，得到适用于不同老化时间的低周疲劳寿命预测方程。
[0044]
其中：
[0045]
(1)测量未老化及老化材料的应变-寿命曲线
[0046]
材料在未老化，老化1000小时，老化3000小时及老化5000小时在应变幅值分别为0.2％，0.3％，0.4％，0.6％及0.8％时的疲劳寿命随热老化时间的变化如图1所示。
[0047]
(2)确定材料在未老化及不同老化时间下的疲劳强度系数σf、疲劳强度指数b、循环强度系数k和循环应变硬化指数n，并确定与老化时间的关系。
[0048]
材料的循环应力-应变行为反映了材料在低周疲劳加载条件下的真实应力-应变特性，其稳定条件下的应力幅与应变幅通常可以ramberg-osgood定律来表达:
[0049][0050]
其中，εa为总应变幅，σa/e为弹性应变部分，(σa/k)
1/n
为塑性应变部分，应力幅值取半寿命处应力幅值。通过拟合不同应变幅值下塑性应变与应力幅值的数据，即可获得循环强度系数k和循环应变硬化指数n。
[0051]
根据basquin-manson-coffin以及ramberg-osgood公式，通过最小二乘法拟合未老化及不同老化时间下应变幅值和应变幅的数据，可以得到相应的疲劳强度系数σ'f、疲劳强度指数b、循环强度系数k和循环应变硬化指数n，结果如表1所示。
[0052]
表1不同热老化时间下材料参数
[0053]
老化时间(h)k(mpa)nσ'f(mpa)b
0645.30.0779601.0-0.04391000753.30.1072663.0-0.05683000746.60.1063652.2-0.05555000695.40.1037623.1-0.0542
[0054]
将疲劳强度系数σ'f、疲劳强度指数b、循环强度系数k和循环应变硬化指数n与老化时间进行关联，这些参数与老化时间之间具有相近的指数型关系，如图2所示。
[0055]
使用相同的方程形式，分别对每个参数与老化时间之间的关系进行拟合。拟合后疲劳强度系数σ'f与老化时间的关系如公式(3)所示，疲劳强度指数b与老化时间的关系如公式(4)所示，循环强度系数k与老化时间的关系如公式(5)所示，循环应变硬化指数n与老化时间关系如公式(6)所示。
[0056]
公式(2)-(6)能够准确描述热老化对所述材料参数的影响，所述材料随热老化时间延长，力学性能呈现先硬化后软化的特征。同时，公式(2)-(6)中临界老化时间ts能够反映初始硬化对所述材料参数影响的时效范围，ts值越大表示影响的时效范围越大，具有一定的物理意义。所述公式形式简洁，参数获取方便。
[0057][0058][0059][0060][0061][0062]
(3)根据k、n、σ'f、b确定疲劳延性系数ε'f和疲劳延性指数c与老化时间的关系；
[0063]
将ramberg-osgood代入basquin-manson-coffin方程中，可以得到疲劳延性系数ε'f、疲劳延性指数c和另外四个参数之间的关系：
[0064][0065][0066]
将公式(3)-(6)代入公式(7)-(8)中，得到疲劳延性系数εf、疲劳延性指数c与老化时间的关系：
[0067][0068][0069]
(4)将公式(2)、(3)、(7)、(8)代入basquin-manson-coffin方程中，可以得出材料16mnd5的适用于不同热老化时间的疲劳寿命预测方程式为：
[0070][0071]
根据式(11)对材料进行低周疲劳寿命预测，与实际试验结果相对比，如图3所示。该预测模型结果与试验结果相比，均在2倍疲劳寿命范围内，证明该模型可以很好地预测实际结果。本模型使用时，仅需带入老化时间和应变载荷条件即可求得相应的材料寿命，计算快捷，使用方便。
[0072]
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
[0073]
需要说明的是，本技术的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本技术的实施方式例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
[0074]
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。