一种考虑改性强化表面状态特征及其梯度分布的疲劳寿命预测方法

本发明涉及材料寿命预测领域，特别涉及一种考虑改性强化表面状态特征及其梯度分布的疲劳寿命预测方法。

背景技术：

1、航空发动机压气机等关键构件服役在高温、高压和高转速的严苛环境中，极易发生疲劳失效，造成严重的飞行事故，甚至是机毁人亡。为提高航空发动机关重件的疲劳寿命和可靠性，滚压、喷丸和超声冲击等机械强化方法用于构件的表面强化以提高其服役可靠性和稳定性。改性强化工艺显著改变构件的表面形貌、提高表面硬度、引入残余压应力和纳米晶层，显著提高构件的疲劳寿命。改性强化工艺疲劳寿命是表面状态特征综合作用的结果，且残余应力和显微硬度等特征存在梯度变化，使得疲劳寿命预测变得十分复杂。仅考虑其中一种因素(如残余应力)及其在某一位置(例如裂纹萌生处)的影响很难实现疲劳寿命的科学预测。

2、现有的疲劳寿命预测方法多是基于应力、应变、能量和断裂力学等方法，其中基于应力、应变的方法包括swt模型、fs模型等，该类方法不仅需要通过试验获得材料相关疲劳参数(如疲劳延性指数和疲劳延性系数等)，耗费大量财力和物力，而且是基于某一点处的应力应变信息进行计算实现寿命的预测，此外，也未将表面粗糙度等更多因素的影响纳入到模型当中。同样，基于能量的方法以及基于断裂力学的方法从原理上也未考虑或者充分考虑改性强化表面状态特征及其梯度分布的影响，用于改性强化疲劳寿命预测是不适宜的，无法有效保证预测结果的科学性和准确度。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种考虑改性强化表面状态特征及其梯度分布的疲劳寿命预测方法，解决了传统预测模型未考虑改性强化表面状态特征或者仅考虑单一因素以及其在裂纹萌生等单一位置的影响缺乏科学性以及导致疲劳寿命预测精度难以保障的问题。

2、本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

3、一种考虑改性强化表面状态特征及其梯度分布的疲劳寿命预测方法，包括如下步骤：

4、采用不同强化参数制备具有不同表面状态的疲劳试样；

5、分别检测不同表面状态的疲劳试样的表面粗糙度轮廓、沿深度方向梯度分布的残余应力和沿深度方向梯度分布的显微硬度；

6、根据不同表面状态的疲劳试样的表面粗糙度轮廓通过有限元仿真确定疲劳试样的应力集中系数kst；

7、以深度为横坐标，以沿深度方向梯度分布的残余应力为纵坐标绘制残余应力梯度分布图；对不同表面状态的疲劳试样的残余应力通过余弦衰减函数进行拟合，得到拟合后的残余应力拟合曲线；计算残余应力分布曲线与基体残余应力值水平线所围平均面积；

8、以深度为横坐标，以沿深度方向梯度分布的显微硬度值为纵坐标绘制显微硬度值梯度分布图；对不同表面状态的疲劳试样的显微硬度通过余弦衰减函数进行拟合，得到拟合后的显微硬度拟合曲线；计算显微硬度分布曲线与基体硬度值所在水平线所围平均面积；

9、通过疲劳试验获得不同表面状态疲劳试样的疲劳寿命；

10、根据表面应力集中系数kst、显微硬度平均包络面积δhv、残余应力所围平均面积建立疲劳寿命预测模型，并根据不同表面状态疲劳试样的疲劳寿命确定疲劳寿命预测模型中的参数；

11、通过疲劳寿命预测模型对待测试样进行疲劳寿命预测。

12、进一步，对不同表面状态的疲劳试样的残余应力通过余弦衰减函数进行拟合，得到拟合后的残余应力拟合曲线，具体根据下面公式确定：

13、

14、式中：σr(h)为残余应力；σr0为基体残余应力；h为表面下深度；aσ为残余应力场梯度分布曲线第一控制因子；λσ为残余应力场梯度分布曲线第二控制因子；ωσ为残余应力场梯度分布曲线第三控制因子；θσ为残余应力场梯度分布曲线第四控制因子。

15、进一步，计算残余应力分布曲线与基体残余应力值水平线所围平均面积，具体根据下面公式确定：

16、

17、式中：为残余应力平均包络面积；hσ为残余应力变化层深度；σ’r0为残余应力实测值。

18、进一步，对不同表面状态的疲劳试样的显微硬度通过余弦衰减函数进行拟合，得到拟合后的显微硬度拟合曲线，具体根据下面公式确定：

19、

20、式中，hv(h)为显微硬度；hv0为基体显微硬度值；ahv为显微硬度场梯度分布曲线第一控制因子；λhv为显微硬度场梯度分布曲线第二控制因子；ωhv为显微硬度场梯度分布曲线第三控制因子；θhv为显微硬度场梯度分布曲线第四控制因子。

21、进一步，计算显微硬度分布曲线与基体硬度值所在水平线所围平均面积，具体根据下面公式确定：

22、

23、式中，δhv为显微硬度平均包络面积；hhv为显微硬度变化层深度；hv’0为实测基体显微硬度平均值。

24、进一步，根据表面应力集中系数kst、显微硬度平均包络面积δhv、残余应力所围平均面积建立疲劳寿命预测模型，具体表示为：

25、

26、式中，δkst为强化后表面应力集中系数与无应力集中的差值；δhv为显微硬度分布曲线与基体硬度所围面积的平均值，为残余应力分布曲线所围面积的平均值；a为疲劳寿命模型中的参数一；α1为疲劳寿命模型中的参数二；α2为疲劳寿命模型中的参数三；α4为疲劳寿命模型中的参数四；α1＜0，α2＞0，α3＞0。

27、进一步，所述滚压强化参数包括滚压压强、滚压进给、滚压速度和滚压次数；至少改变一种滚压强化参数，制备不少于4种不同表面状态滚压疲劳试样。

28、进一步，通过粗糙度轮廓测量仪检测不同表面状态的疲劳试样的表面粗糙度轮廓；采用x射线衍射残余应力测试仪检测不同表面状态的疲劳试样的沿深度方向梯度分布的残余应力；采用韦氏显微硬度计检测不同表面状态的疲劳试样的沿深度方向梯度分布的显微硬度。

29、本发明的有益效果在于：

30、本发明所述的考虑改性强化表面状态特征及其梯度分布的疲劳寿命预测方法，在综合考虑改性强化表面状态特征的基础上，引入改性强化表面应力集中系数、平均残余应力分布和平均显微硬度分布三个参量，建立了改性强化疲劳寿命预测模型，解决了传统预测模型未考虑改性强化表面状态特征或者仅考虑单一因素以及其在裂纹萌生等单一位置的影响缺乏科学性以及导致疲劳寿命预测精度难以保障的问题，本发明提出的技术方案能够科学且准确预测不同载荷下改性强化疲劳寿命，且花费较少，具有较高的工程应用价值。

技术特征：

1.一种考虑改性强化表面状态特征及其梯度分布的疲劳寿命预测方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的考虑改性强化表面状态特征及其梯度分布的疲劳寿命预测方法，其特征在于，对不同表面状态的疲劳试样的残余应力通过余弦衰减函数进行拟合，得到拟合后的残余应力拟合曲线，具体根据下面公式确定：

3.根据权利要求2所述的考虑改性强化表面状态特征及其梯度分布的疲劳寿命预测方法，其特征在于，计算残余应力分布曲线与基体残余应力值水平线所围平均面积，具体根据下面公式确定：

4.根据权利要求1所述的考虑改性强化表面状态特征及其梯度分布的疲劳寿命预测方法，其特征在于，对不同表面状态的疲劳试样的显微硬度通过余弦衰减函数进行拟合，得到拟合后的显微硬度拟合曲线，具体根据下面公式确定：

5.根据权利要求4所述的考虑改性强化表面状态特征及其梯度分布的疲劳寿命预测方法，其特征在于，计算显微硬度分布曲线与基体硬度值所在水平线所围平均面积，具体根据下面公式确定：

6.根据权利要求1所述的考虑改性强化表面状态特征及其梯度分布的疲劳寿命预测方法，其特征在于，根据表面应力集中系数kst、显微硬度平均包络面积δhv、残余应力所围平均面积建立疲劳寿命预测模型，具体表示为：

7.根据权利要求1所述的考虑改性强化表面状态特征及其梯度分布的疲劳寿命预测方法，其特征在于，所述滚压强化参数包括滚压压强、滚压进给、滚压速度和滚压次数；至少改变一种滚压强化参数，制备不少于4种不同表面状态滚压疲劳试样。

8.根据权利要求1所述的考虑改性强化表面状态特征及其梯度分布的疲劳寿命预测方法，其特征在于，通过粗糙度轮廓测量仪检测不同表面状态的疲劳试样的表面粗糙度轮廓；采用x射线衍射残余应力测试仪检测不同表面状态的疲劳试样的沿深度方向梯度分布的残余应力；采用韦氏显微硬度计检测不同表面状态的疲劳试样的沿深度方向梯度分布的显微硬度。

技术总结本发明提供了一种考虑改性强化表面状态特征及其梯度分布的疲劳寿命预测方法，包括如下步骤：采用不同强化参数制备具有不同表面状态的疲劳试样；分别检测不同表面状态的疲劳试样的表面粗糙度轮廓、沿深度方向梯度分布的残余应力和沿深度方向梯度分布的显微硬度；确定疲劳试样的应力集中系数；对不同表面状态的疲劳试样的残余应力和显微硬度分别通过余弦衰减函数进行拟合，得到拟合曲线；分别计算残余应力和显微硬度分布曲线与基体值所围平均面积；通过疲劳试验获得不同表面状态疲劳试样的疲劳寿命；建立疲劳寿命预测模型，通过疲劳寿命预测模型对待测试样进行疲劳寿命预测。本发明能够科学且准确预测不同载荷下改性强化疲劳寿命。技术研发人员：韩坤鹏,张定华,姚倡锋,谭靓,熊世磊受保护的技术使用者：江苏科技大学技术研发日：技术公布日：2024/11/4