一种预测金属材料不同应力比疲劳强度的方法

本发明涉及材料科学与工程应用，具体为一种预测金属材料不同应力比疲劳强度的方法。

背景技术：

1、金属疲劳是构件最常见的失效形式，据统计，在机械零件失效中大约有80％以上属于疲劳破坏。而构件在疲劳破坏前没有明显的宏观变形，且断裂破坏具有突然性，这就导致疲劳破坏难以被人们发现并且事故经常突发。因此，对构件材料疲劳强度的预测对于工业生产具有重要意义。

2、在工程领域上，绝大部分构件的工况载荷并不是恒定不变的，而对不同载荷谱下的疲劳强度进行有效预测，无疑是对构件的安全服役评价提供重要参考。传统模型对材料在不同应力比的疲劳强度的表示均有一定局限性，例如goodman模型对延性材料偏保守、gerber模型对脆性材料表达不精确和soderberg模型对大多数金属材料偏于保守等等。另外在高应力比条件下，传统模型的预测偏差较大，这也为在高应力比服役的构件(例如螺栓)的疲劳强度预测造成了极大困难。因此，对材料在各应力比条件下建立一种具有普适性和精确性的疲劳强度预测关系具有十分重要的意义。

技术实现思路

1、为了降低获取材料在不同应力比条件下的疲劳极限所需成本，本发明提供了一种预测金属材料不同应力比疲劳强度的方法，该方法通过建立抗拉强度、疲劳强度和应力比间的关系，仅需拉伸测试和少量疲劳强度测试即可实现同类金属在不同应力比下的疲劳强度。该方法只有唯一的材料参数，可大量降低实验量需求，且相较传统公式预测更为精确。

2、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

3、一种预测金属材料不同应力比疲劳强度方法，该方法具体包括如下步骤：

4、(1)对目标金属材料进行轴向拉伸测试，获得拉伸性能，所述拉伸性能包括抗拉强度σb；

5、(2)对目标金属材料进行疲劳强度测试，获得在对称轴向载荷(应力比r＝-1)和非对称轴向载荷(r≠-1)条件下的疲劳强度，分别用σ-1和σw表示；

6、(3)计算材料在非对称轴向载荷下的平均应力σm；获得在步骤(2)载荷条件下的σw/σ-1与σm/σb值，在平面直角坐标系中绘制出(σm/σb,σw/σ-1)坐标，过(0,1)坐标线性拟合非对称轴向载荷的数据点，直线斜率为参数c，将参数c直接代入公式(1)；

7、

8、(4)根据公式(1)经计算可求得材料在待预测应力比r下的疲劳强度预测值σw。

9、上述步骤(2)中，为了预测结果的准确性，可选择2～3个非对称轴向载荷进行疲劳强度测试；

10、上述步骤(3)中，若选择2个及以上的其他应力比进行试验，若选择2个及以上的非对称轴向载荷条件进行试验，通过(0,1)坐标将上述坐标进行线性拟合求得参数c；

11、该方法适用于钢、铝合金、镁合金或镍基高温合金；适用于各种预变形和热处理工艺；适用于不同的加载方式、循环周次、试验温度和应力状态。

12、本发明的优点和有益效果如下：

13、1、本发明的预测方法解决了传统模型在高应力比下的预测偏差较大的问题。

14、2、本发明的预测方法对多种材料(包括但不限于钢、铝合金、钛合金、高温合金)与工艺类型(各种预变形、热处理和表面处理等工艺)在各应力比条件下的疲劳强度均有很好的预测精准度。随着材料和工艺的变化，参数c的值有所变化，但数据仍在σm/σb-σw/σ-1坐标系下有良好的线性关系。

15、3、本发明的预测方法对不同加载条件下各应力比的疲劳强度均有很好的预测精准度。随着循环周次、加载类型和环境温度的变化，参数c的值有所变化，但数据仍在σm/σb-σw/σ-1坐标系下有良好的线性关系。

16、4、本发明的预测方法参数唯一，计算简单且具有较高精度。仅通过拉伸测试和少量疲劳强度测试即可对各应力比的疲劳强度进行有效预测，具有低成本、高效率的优势。通过大量数据统计，该方法的预测值与实验值的偏差绝大部分在10％以内，体现该方法在一定程度上的准确性和可靠性。

技术特征：

1.一种预测金属材料不同疲劳比疲劳强度的方法，其特征在于：该方法具体包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的预测金属材料不同疲劳比疲劳强度的方法，其特征在于：步骤(2)中，为了预测结果的准确性，可选择2～3个非对称轴向载荷进行疲劳强度测试。

3.根据权利要求1所述的预测金属材料不同疲劳比疲劳强度的方法，其特征在于：步骤(3)中，若选择2个及以上的非对称轴向载荷条件进行试验，通过(0,1)坐标将上述坐标进行线性拟合求得参数c。

4.根据权利要求1所述的预测金属材料不同疲劳比疲劳强度的方法，其特征在于：该方法适用于钢、铝合金、镁合金或镍基高温合金；适用于各种预变形和热处理工艺；适用于不同的加载方式、循环周次、试验温度和应力状态。

技术总结
本发明公开了一种预测金属材料不同疲劳比疲劳强度的方法，属于材料科学与工程应用技术领域。该方法建立了材料的抗拉强度、对称载荷疲劳强度和应力比的关系，只需拉伸测试和少量的疲劳测试即可有效预测材料在各应力比下的疲劳强度。该方法有效的降低了实验量，极大程度地节约了时间、金钱和人力成本，对钢、铝合金、镁合金和高温合金等材料在不同加载条件下(加载方式、循环周次、实验温度和应力状态)均有精确预测。

技术研发人员：高崇,庞建超,邹成路,李守新,张哲峰
受保护的技术使用者：中国科学院金属研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12