預測鋁合金在多軸加載下的疲勞壽命的系統和方法

專利名稱：預測鋁合金在多軸加載下的疲勞壽命的系統和方法
技術領域：
本發明總體涉及預測鋁合金的疲勞壽命，且更具體地涉及用于預測鋁合金在多軸 比例性和非比例性加載的至少一種情況下的疲勞壽命的系統、方法和制品。
背景技術：
傳統的鋁合金、特別是鋁鑄件的疲勞壽命預測已經面臨挑戰，這不僅是由于微觀 結構的復雜性，而且還由于缺陷數量的不確定性所致。在多軸且特別是非比例性加載下，缺 陷和微觀結構不連續性常常在裂紋成形和疲勞性能上起到重要作用。相信，在不連續處附 近存在的缺陷和位錯積累和堆疊可歸因于局部應力集中和由此導致的疲勞裂紋形成和延 展。在不連續處附近的位錯積累和堆疊的程度不僅可取決于鋁合金中所呈現的應力狀態， 而且還可取決于加載途徑。研究表明，諸如6063和A356之類的鋁合金在循環非比例性加 載下的疲勞壽命，通常比在具有相同的等同應變量的比例性加載下的疲勞壽命短得多。較 短的疲勞壽命可能是由于在非比例性加載過程中最大剪切面連續旋轉和變化所致。結果， 在非比例性加載過程中，更多數量的位錯在不連續處附近積累和堆疊，從而加速疲勞裂紋 形成和延展，并因而使鋁合金的疲勞壽命減短。這樣，基于如前所述，需要準確預測鋁合金 在多軸加載下的疲勞壽命的系統、方法和制品。

發明內容
針對上述背景技術，本發明的實施例提供預測鋁合金疲勞壽命的系統、方法和制 品。更具體地，各實施例總體上涉及采用基于微觀力學的疲勞壽命模型預測鋁合金疲勞壽 命的系統、方法和制品。這些疲勞壽命模型可處理與鋁合金以及鋁合金中所呈現應力狀態 相關的信息以預測鋁合金的疲勞壽命。由疲勞壽命模型處理的信息總體上可歸因于循環多 軸非比例性加載，并可包括但不僅限于以下中的至少一種鋁合金的臨界剪切面，鋁合金的 損傷因子，鋁合金的硬化因子，由于在多滑移系統中的位錯相互作用所致的額外硬化因子， 鋁合金的微觀結構特性值以及熱物理和機械性能。雖然為了簡化目的，本發明的公開內容 主要僅指非比例性加載，但應理解的是，本公開內容總體上以相同程度同樣地涉及比例性 加載。根據一個實施例，一種用于預測鋁合金在循環多軸加載下的疲勞壽命的系統包 括信息輸入端，信息輸出端，處理單元，和計算機可讀介質。所述信息輸入端被設置為接收 以下中的至少一種與所述鋁合金相關的信息，和與所述鋁合金中所呈現的應力狀態相關 的信息和所述鋁合金的微觀結構特性以及熱物理和機械性能。所述信息輸出端被設置為傳 送與所述鋁合金相關的信息。所述計算機可讀介質能夠與至少一個基于微觀力學的疲勞壽 命模型協作，其中，所述疲勞壽命模型通過處理至少一部分所接收的信息預測所述鋁合金 的疲勞壽命。所接收的信息包括以下中的至少一種所述鋁合金的臨界剪切面，其中剪切應 變量達到其最大值；所述鋁合金的損傷因子，所述損傷因子由多個損傷因子參數中的至少 一個限定，所述多個損傷因子參數包括最大剪切應變量，法向應變量，最大法向應變量，剪切應力量，和法向應力量；所述鋁合金的硬化因子，所述硬化因子由多個單軸循環硬化因子 參數中的至少一個限定，所述多個單軸循環硬化因子參數包括疲勞強度系數，疲勞延性系 數，疲勞強度指數，和疲勞延性指數，其中，所述單軸循環硬化因子參數與所述鋁合金中的 缺陷概率和微觀結構特性相關；額外硬化因子，所述額外硬化因子由于多滑移系統中的位 錯相互作用所致，所述額外硬化因子由額外硬化系數、扭轉硬化指數和非比例性值中的至 少一種限定，其中，所述額外硬化系數、扭轉硬化指數和非比例性值中的至少一種與所述鋁 合金中的微觀結構概率和位錯結構相關；和所述鋁合金的微觀結構特性以及熱物理和機械 性能，其由以下中的至少一種限定缺陷尺寸，缺陷體積分數，二次枝晶臂間距(SDAS)，晶 粒尺寸，第二相顆粒尺寸，第二相顆粒的縱橫比，第二相顆粒的體積分數，剪切模量值，泊松 比，和楊氏模量值。可選地，所述單軸循環硬化因子參數的疲勞強度系數與所述鋁合金中的缺 陷尺寸相關。基于線彈性斷裂力學(LEFM)，在單軸加載下的應力量與疲勞壽命之間的關系 可被表示為 其中， 是缺陷(例如，孔或氧化物夾雜物)的尺寸；m是疲勞裂紋生長Paris定 律指數，對于鑄造鋁合金而言，m可從約3變化至約10 ；
是幾何校正因子。對表面缺陷(裂
紋)和內部缺陷(裂縫)而言，Y(ai)可分別取值為約0.65和約0.5。UE(ai)是裂紋閉合因 子。如果R = _l，則值UK(ai) =0.5可簡單地假定當法向應力變為拉伸力時，裂紋完全打 開。在高循環疲勞中，應力量與單軸疲勞壽命之間的關系也可表示為
(2)其中，k是疲勞強度指數。通過比較公式(1)和(2)，疲勞強度系數0f'是缺陷 尺寸(％)的函數，并被表示為
(3)疲勞強度指數k是疲勞裂紋生長Paris定律指數的函數，并被表示為a^zFfl/ m)。而且，單軸循環硬化參數的疲勞延性系數ef可被表示為
⑷其中，k'和n'分別是循環強度系數和循環應變硬化指數；n是拉伸應變硬化指 數，其可與以下中的至少一種相關鋁合金中的缺陷體積分數，第二相顆粒體積分數，二次 枝晶臂間距((SDAS)，微觀結構細度測量值)。并可被表示為 其中，o YS是屈服強度；(^、(2、(3、(；和L是常數；e *是塑性松弛開始時的應變，其 對于鑄造Al-Si-Mg合金而言可由經驗得出約為0. 007。fp和fd分別是第二相顆粒體積分 數和缺陷體積分數；以及、是二次枝晶臂間距(SDAS)。進一步地，單軸循環硬化參數的疲
勞延性指數C(l也可與拉伸應變硬化指數n相關，并可被表示為
。拉伸應
變硬化指數n可通過公式(5)計算出。進一步可選地，疲勞壽命模型可包括低循環多軸疲勞壽命模型。這種低循環多軸 疲勞壽命模型可被表示為 其中，Nf是所述鋁合金的疲勞壽命；A 是在所述臨界剪切面上的最大剪切應 變量；△ t是在所述臨界剪切面上的剪切應力量；八en是在所述臨界剪切面上的法向應 變量；△ 0 是在所述臨界剪切面上的法向應力量；ve和vp分別是彈性和塑性泊松比；E 是楊氏模量值；是疲勞強度系數；是疲勞延性系數；以及h和C(l分別是疲勞強度 指數和疲勞延性指數。所接收的與鋁合金相關的信息可進一步包括導致鋁合金在循環多軸 非比例性加載下發生額外硬化的位錯遷移率。由于循環多軸非比例性加載所激發的多滑移 系統中的位錯相互作用所致的所述額外硬化因子，可由額外硬化系數、由扭轉所致的硬化 指數和非比例性值中的至少一種限定。利用額外硬化因子，于是可僅使用臨界剪切面上的 最大剪切應變量△ 和臨界剪切面上的法向應變量△ %預測低循環疲勞壽命。在此， 低循環多軸疲勞壽命模型可被表示為 其中，、是在非比例性加載下的額外硬化系數，對于鑄造鋁合金而言，k可在約
0. 1至約0. 15之間變化； 是在扭轉加載下的硬化指數，對于鑄造鋁合金而言， 可約等于
0. 2 0. 25 ；以及①是非比例性值。當預測多軸比例性加載下的疲勞壽命時，非比例性值
①等于零，這是因為非比例性是不需關注的。不過，當預測多軸非比例性加載下的疲勞壽命
時，非比例性值①可被表示為
其中，K。是常數，^^、元、分別是所述鋁合金在比例性、圓形、和其它非比 例性加載途徑下的位錯的統計平均自由滑移距離。進一步可選地，疲勞壽命模型可包括高循環多軸疲勞壽命模型，這種高循環多軸 疲勞壽命模型可被表示為
其中，△εmax _是臨界剪切面上的最大法向應變量。同樣，當預測多軸比例性加載下 的疲勞壽命時，非比例性值①等于零，這是因為非比例性是不需關注的。不過，當預測多軸 非比例性加載下的疲勞壽命時，非比例性值①可根據上述公式(8)被表示和確定。根據另一實施例，預測鋁合金在循環多軸加載下的疲勞壽命的方法包括設置基 于計算機的系統以預測疲勞壽命。所述基于計算機的系統包括信息輸入端，信息輸出端， 信息存儲器和指令存放存儲器中的至少一種，中心處理單元，和計算機可讀程序代碼裝置， 該裝置用于處理至少一部分由信息輸入端所接收到的信息。所述方法進一步包括通過所 述基于計算機的系統根據所述計算機可讀程序代碼裝置的處理預測所述鋁合金的疲勞壽 命。根據另一實施例，一種用于預測鋁合金在循環多軸加載下的疲勞壽命的制品包 括用于預測疲勞壽命的基于計算機的系統。所述基于計算機的系統包括信息輸入端，信 息輸出端，信息存儲器和指令存放存儲器中的至少一種，中心處理單元，和計算機可讀程序 代碼裝置，該裝置用于處理至少一部分由信息輸入端所接收到的信息。所述基于計算機的 系統根據所述計算機可讀程序代碼裝置的處理預測所述鋁合金的疲勞壽命。技術方案1 一種用于預測鋁合金在循環多軸加載下的疲勞壽命的系統，所述系 統包括信息輸入端，其設置為接收以下中的至少一種與所述鋁合金相關的信息，和與所 述鋁合金中所呈現的應力狀態相關的信息，和所述鋁合金的微觀結構特性以及熱物理和機 械性能；信息輸出端，其設置為傳送與所述鋁合金相關的信息；處理單元；和與至少一個基 于微觀力學的疲勞壽命模型協作的計算機可讀介質，其中，所述疲勞壽命模型通過處理至 少部分所接收的信息來預測所述鋁合金的疲勞壽命，所接收的信息包括以下中的至少一 種所述鋁合金的臨界剪切面，其中剪切應變量達到其最大值；所述鋁合金的損傷因子，所 述損傷因子由多個損傷因子參數中的至少一個限定，所述損傷因子參數包括最大剪切應 變量，法向應變量，最大法向應變量，剪切應力量，和法向應力量；所述鋁合金的硬化因子， 所述硬化因子由多個單軸循環硬化因子參數中的至少一個限定，所述單軸循環硬化因子參 數包括疲勞強度系數，疲勞延性系數，疲勞強度指數，和疲勞延性指數，其中，所述單軸循 環硬化因子參數與所述鋁合金中的缺陷概率和微觀結構特性相關；額外硬化因子，所述額 外硬化因子由于多滑移系統中的位錯相互作用所致，所述額外硬化因子由額外硬化系數、 扭轉硬化指數和非比例性值中的至少一種限定，其中，所述額外硬化系數、扭轉硬化指數和 非比例性值中的至少一種與所述鋁合金中的微觀結構概率和位錯結構相關；和所述鋁合金 的微觀結構特性以及熱物理和機械性能，由以下中的至少一種限定缺陷尺寸，缺陷體積分 數，二次枝晶臂間距，晶粒尺寸，第二相顆粒尺寸，第二相顆粒的縱橫比，第二相顆粒的體積 分數，剪切模量值，泊松比，和楊氏模量值。技術方案2 如技術方案1所述的系統，其中，所述單軸循環硬化因子參數的疲勞強度系數與所述鋁合金中的缺陷尺寸％相關，并被表示為 其中，m是疲勞裂紋生長Paris定律指數。技術方案3 如技術方案1所述的系統，其中，所述單軸循環硬化因子參數的疲勞 延性系數與拉伸應變硬化指數n相關，并被表示為 技術方案4 如技術方案3所述的系統，其中，所述拉伸應變硬化指數n與以下中 的至少一種相關所述鋁合金的缺陷體積分數，第二相顆粒體積分數，二次枝晶臂間距，和 屈服強度，并被表示為 其中，(^是屈服強度…工乂工和！^是常數，是塑性松弛開始時的應變，fp 和fd分別是第二相顆粒體積分數和缺陷體積分數，、是二次枝晶臂間距。技術方案5 如技術方案1所述的系統，其中，所述單軸循環硬化因子參數的疲勞 強度指數k與疲勞裂紋生長Paris定律指數m相關，并被表示為b0=F(-1/m)技術方案6 如技術方案1所述的系統，其中，所述單軸循環硬化因子參數的疲勞 延性指數C(l與拉伸應變硬化指數n相關，并被表示為 技術方案7 如技術方案1所述的系統，其中所述鋁合金的微觀結構特性通過使用與鑄造、固化和熱處理工藝的多尺度數學建 模相關的一個或多個參數而被提供，所述微觀結構特性的平均值基于所述鋁合金的鑄造、固化和熱處理工藝參數的標 定基線而計算出，以及所述微觀結構特性的概率取決于所述鋁合金的鑄造、固化和熱處理工藝參數的統 計學變化。技術方案8 如技術方案1所述的系統，其中，鑄造缺陷或微觀結構特性的尺寸分 布通過利用累積分布函數的極值統計而確定，所述累積分布函數被表示為
其中，X是鑄造缺陷或微觀結構特性的特性參數，(和5是極值統計分布參數。
技術方案9 如技術方案1所述的系統，其中，所述疲勞壽命模型包括低循環多軸 疲勞壽命模型。技術方案10 如技術方案9所述的系統，其中，所述低循環多軸疲勞壽命模型被表 示為 其中，Nf是所述鋁合金的疲勞壽命；A 是在所述臨界剪切面上的最大剪切應 變量；△ t是在所述臨界剪切面上的剪切應力量；八en是在所述臨界剪切面上的法向應 變量；△ 0 是在所述臨界剪切面上的法向應力量；ve和vp分別是彈性和塑性泊松比；E 是楊氏模量值；是疲勞強度系數；是疲勞延性系數；以及k和C(l分別是疲勞強度 指數和疲勞延性指數。技術方案11 如技術方案9所述的系統，其中，所述低循環多軸疲勞壽命模型被表 示為 其中，Nf是材料的疲勞壽命；A 是在所述臨界剪切面上的最大剪切應變量; A %是在所述臨界剪切面上的法向應變量；和vp分別是彈性和塑性泊松比；E是楊氏 模量值；o f ‘是疲勞強度系數；e f ‘是疲勞延性系數；k和C(l分別是疲勞強度指數和疲勞 延性指數；k是在非比例性加載下的額外硬化系數； 是在扭轉加載下的硬化指數；以及 O是非比例性值。技術方案12 如技術方案11所述的系統，其中，所述低循環多軸疲勞壽命模型預 測所述鋁合金在多軸比例性加載下的疲勞壽命，所述非比例性值①等于零。技術方案13 如技術方案11所述的系統，其中，所述低循環多軸疲勞壽命模型預 測所述鋁合金在多軸非比例性加載下的疲勞壽命，所述非比例性值①被表示為 其中，K。是常數，、I、^^分別是所述鋁合金在比例性、圓形、和非比例性 加載途徑下的位錯的統計平均自由滑移距離。技術方案14 如技術方案11所述的系統，其中，所述額外硬化系數k在約0. 1至 約0. 15之間變化，所述扭轉下的硬化指數 在約0. 2至約0. 25之間變化。技術方案15 如技術方案1所述的系統，其中，所述疲勞壽命模型包括高循環多軸 疲勞壽命模型。技術方案16 如技術方案15所述的系統，其中，所述高循環多軸疲勞壽命模型被
表示為 其中，Nf是所述鋁合金的疲勞壽命；A 是在所述臨界剪切面上的最大剪切應 變量；△ ￡ _是在所述臨界剪切面上的最大法向應變量；v e和v p分別是彈性和塑性泊松 比；E是楊氏模量值；of‘是疲勞強度系數；是疲勞延性系數；h和C(l分別是疲勞強度 指數和疲勞延性指數；k是在非比例性加載下的額外硬化系數； 是在扭轉加載下的硬化 指數；①是非比例性值。技術方案17 如技術方案16所述的系統，其中，所述高循環多軸疲勞壽命模型預 測所述鋁合金在多軸比例性加載下的疲勞壽命，所述非比例性值①等于零。技術方案18 如技術方案16所述的系統，其中，所述高循環多軸疲勞壽命模型預 測所述鋁合金在多軸非比例性加載下的疲勞壽命，所述非比例性值①被表示為 其中，K。是常數，及Sp、Sc.snp分別是所述鋁合金在比例性、圓形、和其它非比 例性加載途徑下的位錯的統計平均自由滑移距離。技術方案19 一種預測鋁合金在循環多軸加載下的疲勞壽命的方法，其中所述方 法包括設置基于計算機的系統以預測疲勞壽命，所述基于計算機的系統包括信息輸入端，其設置為接收以下中的至少一種與所述鋁合金相關的信息，和與所 述鋁合金中所呈現的應力狀態相關的信息和所述鋁合金的微觀結構特性以及熱物理和機 械性能；信息輸出端，其設置為傳送與所述鋁合金相關的信息；信息存儲器和指令存放存儲器中的至少一種；中心處理單元；和計算機可讀程序代碼裝置，用于處理至少一部分所接收到的與鋁合金相關的信 息，其中所接收到的與鋁合金相關的信息包括以下中的至少一種所述鋁合金的臨界剪切面，其中剪切應變量達到其最大值；所述鋁合金的損傷因子，所述損傷因子可歸因于循環多軸加載，所述損傷因子由 多個損傷因子參數中的至少一個限定，所述多個損傷因子參數包括最大剪切應變量，法向 應變量，最大法向應變量，剪切應力量，和法向應力量；所述鋁合金的硬化因子，所述硬化因子可歸因于循環多軸加載，所述硬化因子由 多個單軸循環硬化因子參數中的至少一個限定，所述多個單軸循環硬化因子參數包括疲 勞強度系數，疲勞延性系數，疲勞強度指數，和疲勞延性指數；額外硬化因子，所述額外硬化因子由于循環多軸非比例性加載所激發的多滑移系 統中的位錯相互作用所致，所述額外硬化因子由額外硬化系數、扭轉硬化指數和非比例性 值限定，其中，所述額外硬化因子參數與所述鋁合金中的微觀結構概率和位錯結構相關；和
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所述鋁合金的特性微觀結構特征以及熱物理和機械性能，由以下中的至少一種限 定缺陷尺寸，缺陷體積分數，二次枝晶臂間距，晶粒尺寸，第二相顆粒尺寸，第二相顆粒的 縱橫比，第二相顆粒的體積分數，剪切模量值，泊松比，和楊氏模量值；和通過所述基于計算 機的系統根據所述計算機可讀程序代碼裝置的處理預測所述鋁合金的疲勞壽命。技術方案20 如技術方案19所述的方法，其中，所述硬化因子的單軸循環硬化因 子參數與所述鋁合金中的缺陷概率和微觀結構特性相關。技術方案21 如技術方案20所述的方法，其中所述單軸循環硬化因子參數的疲勞強度系數與所述鋁合金中的缺陷尺寸 相關，并被表示為 其中，m是疲勞裂紋生長Paris定律指數；所述單軸循環硬化因子參數的疲勞延性系數￡ 被表示為
與拉伸應變硬化指數n相關，并 所述拉伸應變硬化指數n與以下參數相關所述鋁合金的缺陷體積分數，第二相 顆粒體積分數，二次枝晶臂間距，和屈服強度 其中，(^是屈服強度，‘‘^仏和！^是常數，廣是塑性松弛開始時的應變，fp 和fd分別是第二相顆粒體積分數和缺陷體積分數，、是二次枝晶臂間距(SDAS)；所述單軸循環硬化因子參數的疲勞強度指數k與疲勞裂紋生長Paris定律指數m 相關，并被表示為b0 = F(_l/m)；禾口所述單軸循環硬化因子參數的疲勞延性指數C(l與拉伸應變硬化指數n相關，并被 表示為 技術方案22 如技術方案19所述的方法，其中，所述疲勞壽命模型包括低循環多 軸疲勞壽命模型，其被表示為
其中，Nf是所述鋁合金的疲勞壽命；△ 是在所述臨界剪切面上的最大剪切應變量；△ %是在所述臨界剪切面上的法向應變量；ve和vp分別是彈性和塑性泊松比；E 是楊氏模量值；k是在非比例性加載下的額外硬化系數；％是在扭轉加載下的硬化指數；① 是非比例性值。技術方案23 如技術方案19所述的方法，其中，所述疲勞壽命模型包括高循環多 軸疲勞壽命模型，其被表示為 其中，Nf是所述鋁合金的疲勞壽命；A 是在所述臨界剪切面上的最大剪切應 變量；△ ￡ _是在所述臨界剪切面上的最大法向應變量；v e和v p分別是彈性和塑性泊松 比；E是楊氏模量值；k是在非比例性加載下的額外硬化系數；％是在扭轉加載下的硬化指 數沖是非比例性值。技術方案24 —種用于預測鋁合金在循環多軸加載下的疲勞壽命的制品，所述制 品包括用于預測疲勞壽命的基于計算機的系統，所述基于計算機的系統包括信息輸入端，其設置為接收以下中的至少一種與所述鋁合金相關的信息，和與所 述鋁合金中所呈現的應力狀態相關的信息和所述鋁合金的微觀結構特性以及熱物理和機 械性能；信息輸出端，其設置為傳送與所述鋁合金相關的信息；信息存儲器和指令存放存儲器中的至少一種；中心處理單元；和計算機可讀程序代碼裝置，用于處理至少一部分所接收到的信息，其中所接收到 的信息包括以下中的至少一種所述鋁合金的臨界剪切面，其中剪切應變量達到其最大值；所述鋁合金的損傷因子，所述損傷因子可歸因于循環多軸加載，所述損傷因子由 多個損傷因子參數中的至少一個限定，所述多個損傷因子參數包括最大剪切應變量，法向 應變量，最大法向應變量，剪切應力量，和法向應力量；所述鋁合金的硬化因子，所述硬化因子可歸因于循環多軸加載，所述硬化因子由 多個單軸循環硬化因子參數中的至少一個限定，所述多個單軸循環硬化因子參數包括疲 勞強度系數，疲勞延性系數，疲勞強度指數，和疲勞延性指數；額外硬化因子，所述額外硬化因子由于循環多軸非比例性加載所激發的多滑移系 統中的位錯相互作用所致，所述額外硬化因子由額外硬化系數、扭轉硬化指數和非比例性 值限定，其中，所述額外硬化因子參數與所述鋁合金中的微觀結構概率和位錯結構相關；和所述鋁合金的特性微觀結構特征以及熱物理和機械性能，其由以下參數限定缺 陷尺寸，缺陷體積分數，二次枝晶臂間距(SDAS)，晶粒尺寸，第二相顆粒尺寸，第二相顆粒的 縱橫比，第二相顆粒的體積分數，剪切模量值，泊松比，和楊氏模量值；其中，所述基于計算機的系統根據所述計算機可讀程序代碼裝置的處理預測所述 鋁合金的疲勞壽命。技術方案25 如技術方案24所述的制品，其中，所述硬化因子的單軸循環硬化因 子參數與所述鋁合金中的缺陷概率和微觀結構特性相關。
技術方案26 如技術方案24所述的制品，其中，所述計算機可讀程序代碼裝置包
括低循環多軸疲勞壽命模型，其被表示為 其中，Nf是材料的疲勞壽命；A 是在所述臨界剪切面上的最大剪切應變量； A %是在所述臨界剪切面上的法向應變量；和vp分別是彈性和塑性泊松比；E是楊氏 模量值；o f ‘是疲勞強度系數；e f ‘是疲勞延性系數；k和C(l分別是疲勞強度指數和疲勞 延性指數；k是在非比例性加載下的額外硬化系數；％是在扭轉加載下的硬化指數；①是 非比例性值。技術方案27 如技術方案24所述的制品，其中，所述計算機可讀程序代碼裝置包
括高循環多軸疲勞壽命模型，其被表示為 其中，Nf是材料的疲勞壽命；A 是在所述臨界剪切面上的最大剪切應變量； A 是在所述臨界剪切面上的最大法向應變量；ve和vp分別是彈性和塑性泊松比；E 是楊氏模量值；o f ‘是疲勞強度系數；￡ f'是疲勞延性系數；k和C(l分別是疲勞強度指數 和疲勞延性指數；k是在非比例性加載下的額外硬化系數；％是在扭轉加載下的硬化指數； O是非比例性值。


通過結合附圖進行閱讀，以下對具體實施例的詳細描述能夠被更好地理解，其中 相同的結構以相同的附圖標記表示，其中圖1列出在不同加載途徑下拉伸應力與扭轉應力之間的示例性關系及其相應加 載波形；圖2A是鋁合金在比例性加載下的臨界面上的應力和應變狀態的例示圖線；圖2B是鋁合金在非比例性加載下的臨界面上的應力和應變狀態的例示圖線；圖3是鋁合金在非比例性加載下的被觀測到的額外硬化的例示圖線；圖4是根據本發明一個實施例的預測鋁合金疲勞壽命的系統的結構圖；圖5是在被觀測到的鑄造鋁合金的低循環多軸疲勞壽命與根據本發明另一實施 例預測到的相同合金的低循環多軸疲勞壽命之間的比較例示圖線；圖6是在被觀測到的鑄造鋁合金的低循環多軸疲勞壽命與根據本發明另一實施 例預測到的相同合金的低循環多軸疲勞壽命之間的比較例示圖線；圖7是在被觀測到的鋁合金的高循環多軸疲勞壽命與根據本發明另一實施例預 測到的相同合金的高循環多軸疲勞壽命之間的比較例示圖線；圖8是在被觀測到的熱等靜壓鑄造鋁合金的高循環多軸疲勞壽命與根據本發明 另一實施例預測到的相同合金的高循環多軸疲勞壽命之間的比較例示圖線；圖中所示實施例本質上是示例性的而不是用于限制由權利要求書限定的實施例。而且，通過以下的詳細描述，附圖和實施例中的各方面將會更明顯且更易于被全面理解。
具體實施例方式本發明的實施例總體涉及用于預測鋁合金在循環多軸加載下的疲勞壽命的系統、 方法和制品。如前所述，在多軸的比例性和非比例性加載中的至少一種情況下的疲勞壽命 可使用本發明的實施例預測。這樣，可想到的是，這些實施例可操作以預測鋁合金在多軸比 例性或非比例性加載中的至少一種情況下的疲勞壽命。所述實施例分別包括和/或利用至少一種(但不限于一種)基于微觀力學的疲勞 壽命模型，以處理以下中的至少一種與鋁合金相關的信息，和與鋁合金中所呈現應力狀態 相關的信息，以預測鋁合金的疲勞壽命。在此使用的“鋁合金”不僅是指合金本身，而且還指 至少部分地由鋁合金構造的任意部件、產品和/或組件。進一步地，在此使用的“微觀力學” 一般是指在累積構成合金或復合物的一種或多種單獨相的水平上對多組分(化學元素)合 金和/或材料的分析。這樣，當預測鋁合金在多軸加載下的疲勞壽命時，在此描述的基于微 觀力學的疲勞壽命模型可顧及鋁合金中的缺陷概率和微觀結構特性。進一步地，“比例性” 一般是指，當鋁合金在多軸加載下的主應變軸線大致恒定不 變時的加載途徑；在此使用的“非比例性”一般是指，當鋁合金在循環多軸加載過程中的主 應變軸線連續旋轉變化并因而不具有比例性時的加載途徑。非比例性加載的示例是承受交 替拉伸和扭轉加載循環的鋁合金棒。在此示例中，在拉伸循環與扭轉循環之間，主應變軸線 旋轉約45°。異相加載是一種形式的非比例性加載，并用于表示具有正弦或三角波形的循 環加載歷史和在載荷之間的相差。圖1列出在不同加載途徑下拉伸應力與扭轉應力之間的 示例性關系及其相應加載波形。圖2以圖線例示出承受A e eq/2 = 0. 22%的等同應變量的A356鋁合金的臨界面 上的應力和應變狀態。在圖2A和2B中所示的曲線中，在臨界面(例如垂直于薄壁管樣本的 柱形表面)上的相應的剪切和法向應力和應變量顯示為臨界面與柱形樣本軸線之間角度 的函數。在比例性加載(圖2A)下，在臨界面上的剪切應力量A X和剪切應變量A Y與 法向應力量A o和法向應變量A e異相。這樣，例如，如圖2A中所示，當法向應力量A o 和法向應變量△ e處于其相應的最大值時，剪切應力量△ T和剪切應變量△、不處于其 相應的最大值，且實際上通常處于或接近于其相應的最小值。這樣，還可知，當剪切應力量 A X和剪切應變量A y處于其相應的最大值時，法向應力量A o和法向應變量A e不處 于其相應的最大值，且實際上通常處于或接近于其相應的最小值。不過，在非比例性加載(圖2B)下，臨界面上的剪切應力量A X和剪切應變量 A Y同相，而且與法向應力量A o和法向應變量A e同時發生或基本同時發生。這樣， 當法向應力量△ o和法向應變量△ ￡處于其相應最大值時，剪切應力量△ T和剪切應變 量A Y處于或接近于其相應最大值，反之亦然。這樣，還可知，當法向應力量A o和法向 應變量△ ￡處于其相應最小值時，剪切應力量△ t和剪切應變量△、處于或接近于其相 應最小值，反之亦然。剪切應力和應變量與法向應力和應變量的同相或同時最大化或近似 最大化，促使鋁合金中的疲勞裂紋形成和延展。這樣，在非比例性加載和比例性加載具有相 同的等同應變量的情況下，在比例性加載下的鋁合金通常比在非比例性加載下的鋁合金具 有更長的疲勞壽命。
額外硬化在這種類型的非比例性加載過程中發生。這樣的額外硬化通常不會在單 軸或任何比例性加載途徑中出現。圖3以圖線例示出在具有90°異相拉伸一扭轉加載的 非比例性加載途徑下的轉變有效應力和應變。已發現，90°異相加載途徑產生最大程度的 非比例性額外硬化。與在單軸或比例性加載中所觀測到的情況相比，在這種加載途徑中觀 測到的額外硬化量通常顯著取決于微觀結構特性和滑移系統在材料中發展的容易程度。例 如，在鋁合金中，在所評估的多種90°異相加載途徑中，已發現圓形加載途徑產生最大的額 外硬化。鋁合金的疲勞壽命縮短由于多種原因而可產生問題，這取決于合金的應用。例如， 在汽車工業中，汽車鋁部件失效可能會增大保修成本，并可能對部件的質量和性能產生不 利影響。本發明的實施例可操作以預測鋁合金在其開發階段中和在其應用之前的疲勞壽 命，并因而可消除這樣的問題或使其影響最小。此外，本發明的實施例可顯著減少傳統上在 測量疲勞壽命時所必要的鋁部件開發和觀測/測試循環。在一個實施例中，如圖4中的示意圖所示，用于預測鋁合金在循環多軸加載下的 疲勞壽命的系統10包括信息輸入端12，信息輸出端14，處理單元16，計算機可讀介質18， 和至少一個基于微觀力學的疲勞壽命模型20。信息輸入端12被設置以接收以下中的至少 一種與鋁合金相關的信息，和與鋁合金中所呈現應力狀態相關的信息，此信息在此被統稱 為“所接收的信息”。信息輸出端14被設置以傳送與鋁合金相關的信息。計算機可讀介質 18與基于微觀力學的疲勞壽命模型20協作以通過處理所接收的信息預測鋁合金的疲勞壽 命。由信息輸出端14傳送的與鋁合金相關的信息包括通過疲勞壽命模型20預測的鋁合 金的疲勞壽命。處理單元16可以是可對被輸入到系統10的指令進行解釋的中心處理單 元，可翻譯數據或其它信息或將數據轉變為另一數據形式的數據處理單元，或其它處理單 元。可想到的是，信息輸入端12、信息輸出端14、處理單元16、和計算機可讀介質18可包括 或設置為可操作以執行在此所述功能的現有技術中已知的任意傳統信息輸入端、信息輸出 端、處理單元、和計算機可讀介質。由信息輸入端接收的與鋁合金中所呈現的應力狀態相關的信息包括以下中的至 少一種鋁合金的臨界剪切面和鋁合金的損傷因子。在鋁合金的臨界剪切面中，剪切應變 量達到其最大值。臨界剪切面可例如垂直于薄壁管樣本的柱形表面。鋁合金的損傷因子可 歸因于循環多軸加載。損傷因子由多個損傷因子參數中的至少一個限定。損傷因子參數包 括最大剪切應變量A Y_，剪切應力量A t，最大法向應變量A ，法向應變量A en, 和法向應力量A on。鋁合金的硬化因子也可歸因于循環多軸加載。硬化因子由多個單軸循環硬化因子 參數中的至少一個限定。單軸循環硬化因子參數與鋁合金中的缺陷概率和微觀結構特性相 關。單軸循環硬化因子參數可通過應變壽命低循環單軸疲勞測試而確定。在一個實施例中， 單軸循環硬化因子參數包括疲勞強度系數，疲勞延性系數，疲勞強度指數IV 和疲勞延性指數C(l。單軸循環硬化參數的疲勞強度系數可與鋁合金中的缺陷尺寸相 關。當基于線彈性斷裂力學(LEFM)時，在單軸加載下的應力量與疲勞壽命之間的關 系可被表示為
其中， 是缺陷(例如，孔或氧化物夾雜物)的尺寸；m是疲勞裂紋生長Paris定 律指數，對于鑄造鋁合金而言，其可從約3變化至約10 ；
12；Y是幾何校正因子。對表面缺陷(裂
紋)和內部缺陷(裂縫)而言，Y(ai)可分別取值為約0.65和約0.5。UE(ai)是裂紋閉合因 子。如果R = _l，則值UK(ai) =0.5可簡單地假定當法向應力變為拉伸力時，裂紋完全打 開。在高循環疲勞中，應力量與單軸疲勞壽命之間的關系也可表示為
(11)其中，k是疲勞強度指數。通過比較公式(10)和(11)，疲勞強度系數of'可與 缺陷尺寸相關，并被表示為
(12) 疲勞強度指數k可是疲勞裂紋生長Paris定律指數的函數，并被表示為屯= F(-l/m)。而且，單軸循環硬化參數的疲勞延性系數可被表示為
(13)其中，k'和n'分別是循環強度系數和循環應變硬化指數；n是拉伸應變硬化指 數，其可與以下中的至少一種相關鋁合金中的缺陷體積分數，第二相顆粒體積分數，二次 枝晶臂間距((SDAS)，微觀結構細度測量值)。n可被表示為 其中，o YS是屈服強度；(^、(2、(3、(；和L是常數；￡ *是塑性松弛開始時的應變，其 對于鑄造Al-Si-Mg合金而言可由經驗得出約為0. 007。fp和fd分別是第二相顆粒體積分 數和缺陷體積分數八是二次枝晶臂間距(SDAS)。進一步地，單軸循環硬化因子參數的疲
勞延性指數C(l也可與拉伸應變硬化指數n相關，并可被表示為
拉伸應 變硬化指數n可通過公式(14)計算出。進一步地，在另一實施例中，由信息輸入端所接收 的信息可包括微觀結構特性以及熱物理和機械性能，并可包括以下中的至少一種二次枝 晶臂間距(SDAS)，晶粒尺寸，第二相顆粒尺寸，第二相顆粒的縱橫比，缺陷尺寸，缺陷體積分 數，第二相顆粒的體積分數，和剪切模量值。進一步地，對于上述信息而言另外地或可替代 地，所接收的信息還可包括以下中的至少一種鋁合金的泊松比，楊氏模量值，和額外硬化 因子，其中額外硬化因子歸因于在循環多軸非比例性加載下對鋁合金的額外損傷。更具體地，額外硬化因子顧及在塑性變形中非比例性的影響以及疲勞裂紋形成和延展。這樣，由于 循環多軸非比例性加載所激發的多滑移系統中的位錯相互作用所致的額外硬化因子由以 下中的至少一種限定在非比例性加載下的額外硬化系數L(i、在扭轉加載下的硬化指數％ 和非比例性值①。例如，對于鑄造鋁合金而言，額外硬化系數k通常在約0. 1至約0. 15之 間，扭轉下的硬化指數 通常在約0. 2至約0. 25之間變化；進一步地，非比例性值①可被 表示為 其中，K。是常數，;^、Sc. 分別是所述鋁合金在比例性、圓形、和其它非比
例性加載途徑下的位錯的統計平均自由滑移距離。因此，非比例性值被限定為位錯的自由 滑移距離的平均值，其可根據加載途徑而變化，如表1中所示。應注意的是，在此使用的“非 比例性”是指加載途徑，例如，如表1中所示的圓形、菱形、正方形、矩形、橢圓形的加載途徑， 或其它以非比例性方式施加于鋁合金的加載途徑。進一步地，如表1中所示，當預測多軸比 例性加載下的疲勞壽命時，非比例性值①等于零，這是因為非比例性是無關因素且不需關 注。不過，當預測多軸非比例性加載下的疲勞壽命時，非比例性值①可通過公式(15)表示 和確定。表1 在不同加載途徑下的非比例性值 進一步地，由信息輸入端所接收的信息可與鋁合金的詳細微觀結構特性相關，這 些詳細微觀結構特性可使用與鑄造、固化和熱處理工藝的多尺度(multi-scale)數學模型 相關的參數被提供。微觀結構特性的平均值，例如孔或第二相的平均尺寸，基于合金組分、 鑄造、固化和熱處理工藝參數的名義基線被計算出。微觀結構特性的概率可取決于合金成 分、鑄造、固化和熱處理工藝參數的統計學變化。由信息輸入端所接收的與鋁合金的微觀結構特性相關的信息可通過各種測量方 式提供，包括傳統的二維金相測量。金相技術在實踐中被廣泛用于二維(2D)表征鑄造缺 陷和微觀結構特性。通過傳統2D金相數據，鑄造缺陷的尺寸分布和其它微觀結構特性可以 通過利用累積分布函數的極值統計(EVS)進行描述，其中累積分布函數例如為 其中，x是鑄造缺陷或微觀結構特性的特性參數，(和5是極值統計分布參數。可 想到的是，公式(16)僅為這種函數的示例，其它類似的分布函數也可用于擬合實驗數據。基于微觀力學的疲勞壽命模型通過至少一部分由信息輸入端所接收的信息預測 鋁合金的疲勞壽命。在一個實施例中，疲勞壽命模型包括低循環多軸疲勞壽命模型。在此使用的“低循環”是指當鋁合金疲勞壽命Nf小于104次循環(Nf < 104次循環)時的情況。 低循環多軸疲勞壽命模型的一個示例可被表示為 當在臨界剪切面上的最大剪切應變量A Y_、剪切應力量A X、法向應變量 A ￡n、法向應力量A on及其構成關系已知時，公式(17)的低循環多軸疲勞壽命模型可預 測鋁合金的疲勞壽命Nf。圖5以圖線例示出使用傳統疲勞壽命測量方法(包括但不僅限于物理疲勞測試觀 測)所觀測的鑄造A356鋁合金的低循環多軸疲勞壽命與使用公式(17)的低循環多軸疲 勞壽命模型所預測的相同合金的低循環多軸疲勞壽命的示例性比較。在此，楊氏模量值為 74GPa，且單軸循環硬化因子參數給定如下o f' = 360MPa, b0 = -0. 125，e f' =0. 12，c0 =-0.61。對于A356鋁合金而言，彈性泊松比〃6為0.3，塑性泊松比vp*0.5。圖5的 比較顯示，使用公式(17)的低循環多軸疲勞壽命模型預測的疲勞壽命與觀測的疲勞壽命 基本一致，其中，對于比例性和圓形(即，非比例性)加載途徑而言，幾乎所有繪出的疲勞壽 命點均在1.5倍的散布帶內。低循環多軸疲勞壽命模型的另一實施例可被表示為 當在臨界剪切面上的最大剪切應變量A Y_、剪切應力量A X、法向應變量 A ￡n、法向應力量A 0 及其構成關系中的一種或多種未知時，公式(18)的低循環多軸疲 勞壽命模型可預測鋁合金的疲勞壽命Nf。進一步地，公式(17)和公式(18)的比較顯示，雖 然公式(18)簡化了公式(17)的應力和應變處理，不過公式(18)通過處理由于多滑移系統 中的位錯相互作用(即，以下中的至少一種在非比例性加載下的硬化系數k，在扭轉加載 下的硬化指數IV和非比例性值①)所致的額外硬化因子而可顧及非比例性對鋁合金的影 響，這是公式(17)中未顧及的。圖6以圖線例示出所觀測的鑄造A356鋁合金的低循環多軸疲勞壽命與使用公 式(18)的低循環多軸疲勞壽命模型所預測的相同合金的低循環多軸疲勞壽命的示例性比 較。在此，楊氏模量值E為74GPa，且單軸循環硬化因子參數給定如下o f' = 360MPa, b0 =-0.125，e f' = 0. 12，cQ =-0. 61。對于A356鋁合金而言，彈性泊松比3，塑性 泊松比％為0.5。在非比例性加載下的硬化系數k為0. 141，在扭轉加載下的硬化指數 為0. 22。圖6的比較顯示，與所觀測的疲勞壽命相比，由公式(18)預測的疲勞壽命的準確 性雖然略低于由公式(17)提供的準確性，但由公式(18)預測的疲勞壽命與所觀測的疲勞 壽命之間仍存在顯著的一致性，其中，對于比例性和圓形(即，非比例性)加載途徑而言，幾 乎所有繪出的疲勞壽命點均在2倍的散布帶內，其中顧及非比例性的影響。在基于微觀力學的疲勞壽命模型的另一個實施例中，疲勞壽命模型包括高循環多 軸疲勞壽命模型。在此使用的“高循環”是指當鋁合金疲勞壽命Nf大于104次循環(Nf < 104次循環)時的情況。在高循環疲勞狀態下，在鋁合金上施加的應力通常較低，因而在疲勞裂 紋形成之前的時間長度可能顯著較長。例如，在金屬材料中，在疲勞裂紋形成之前的時間長 度可最長至材料總疲勞壽命的90 %。進一步地，在多軸加載下，疲勞裂紋形成的驅動力通常 與臨界剪切面上的最大法向應變直接相關。在一個實施例中，鋁合金在多軸非比例性加載下的高循環多軸疲勞壽命模型被表 示為 其中，A 是最大法向應變量。公式(19)特別用于高循環狀態下的應用，而公 式(17)和(18)特別用于低循環狀態。進一步地，公式(19)簡化了公式(17)的應力和應 變處理，但通過處理由于多滑移系統中的位錯相互作用所致的額外硬化因子而可顧及非比 例性對鋁合金的影響，這是公式(17)中未顧及的。表2和圖7提供所觀測的6063鋁合金高循環多軸疲勞壽命的示例性比較。更具體 地，圖7以圖線例示出所觀測的6063鋁合金的高循環多軸疲勞壽命與使用公式(19)的高 循環多軸疲勞壽命模型所預測的相同合金的高循環多軸疲勞壽命的示例性比較。在此，楊 氏模量值E為68GPa，且單軸循環硬化因子參數給定如下= 411MPa,b0 = -0. 1，e f' =0. 2，cq = -0.67。對于6063鋁合金而言，彈性泊松比0.3，塑性泊松比5。 在非比例性加載下的額外硬化系數k為0. 11，在扭轉加載下的硬化指數％為0. 2。圖7的 比較顯示，使用公式(19)的高循環多軸疲勞壽命模型預測的疲勞壽命與所觀測的疲勞壽 命基本一致，其中，對于比例性和非比例性加載途徑而言，幾乎所有繪出的疲勞壽命點均在 1.5倍的散布帶內。表2提供6063鋁合金在不同非比例性加載途徑下的所觀測的高循環多軸疲勞壽 命與所預測的高循環多軸疲勞壽命(使用公式(19)的高循環多軸疲勞壽命模型)的示例 性比較。表2 6063鋁合金在不同非比例性加載途徑下的預測疲勞壽命與觀測疲勞壽命的比較 圖8以圖線例示出所觀測的鑄造A356_T6(高溫等靜壓的，熱等靜壓的)鋁合金的 高循環多軸疲勞壽命與使用公式(19)的高循環多軸疲勞壽命模型所預測的相同合金的高循環多軸疲勞壽命的示例性比較。在此，楊氏模量值E為74GPa，且單軸循環硬化因子參數 給定如下。f' = 587MPa,b0 = -0. 124, e f' = 0. 011，cQ = _0. 511。對于鑄造 A356-T6 (熱 等靜壓的)鋁合金而言，彈性泊松比\為0.3，塑性泊松比％為0.5。在非比例性加載下 的額外硬化系數k為0. 11，在扭轉加載下的硬化指數 為0. 2。圖8的比較顯示，考慮在 臨界面上同時存在最大剪切應變量和最大法向應變量時，使用公式(19)的高循環多軸疲 勞壽命模型預測的疲勞壽命與所觀測的疲勞壽命基本一致，其中，對于比例性和圓形(即， 非比例性)加載途徑而言，幾乎所有繪出的疲勞壽命點均在2倍的散布帶內。本發明的另外的實施例總體上涉及預測鋁合金在循環多軸非比例性加載下的疲 勞壽命的方法。在一個實施例中，此方法包括設置用于預測鋁合金的疲勞壽命的基于計算 機的系統。基于計算機的系統包括信息輸入端，其被設置為接收以下中的至少一種與鋁 合金相關的信息，和與鋁合金中所呈現的應力狀態相關的信息；信息輸出端，其被設置為傳 送與鋁合金相關的信息；信息存儲器(例如隨機存儲器(RAM))和指令存放存儲器(例如只 讀存儲器(ROM))中的至少一種；中心處理單元；和計算機可讀程序代碼裝置，用于處理至 少一部分所接收到的與鋁合金和鋁合金中所呈現的應力狀態相關的信息。信息輸入端所接收到的與鋁合金中的應力狀態相關的信息包括以下中的至少一 種鋁合金的臨界剪切面，其中剪切應變量達到其最大值；鋁合金的損傷因子，損傷因子可 歸因于循環多軸加載，損傷因子由多個損傷因子參數中的至少一個限定，多個損傷因子參 數包括最大剪切應變量，法向應變量，最大法向應變量，剪切應力量，和法向應力量。所接 收的與鋁合金相關的信息包括微觀結構特性以及熱物理和機械性能，并包括以下中的至少 一種二次枝晶臂間距(SDAS)，晶粒尺寸，缺陷尺寸，缺陷體積分數，第二相顆粒尺寸，第二 相顆粒的縱橫比，第二相顆粒的體積分數，剪切模量值，泊松比，和楊氏模量值；可歸因于循 環多軸加載的鋁合金的硬化因子，硬化因子由多個單軸循環硬化因子參數中的至少一個限 定，多個單軸循環硬化因子參數包括疲勞強度系數，疲勞延性系數，疲勞強度指數，和疲勞 延性指數；額外硬化因子，額外硬化因子由于循環多軸非比例性加載所激發的多滑移系統 中的位錯相互作用所致，額外硬化因子由額外硬化系數、扭轉硬化指數和非比例性值中的 至少一種限定。硬化因子的單軸循環硬化因子參數可與鋁合金中的缺陷概率和微觀結構特 性相關。所述方法進一步包括通過基于計算機的系統根據計算機可讀程序代碼裝置的處 理預測鋁合金的疲勞壽命。在一個實施例中，計算機可讀程序代碼裝置包括低循環多軸疲 勞壽命模型，而在另一實施例中，計算機可讀程序代碼裝置包括高循環多軸疲勞壽命模型。 在又一實施例中，計算機可讀程序代碼裝置同時包括低循環多軸疲勞壽命模型和高循環多 軸疲勞壽命模型。進一步地，本發明的另外的實施例總體涉及用于預測鋁合金在循環多軸加載下的 疲勞壽命的制品，所述制品相應包括可用于計算機的介質，所述介質包括被嵌入其中的計 算機可讀程序代碼裝置。可以想到的是，可通過計算機可讀程序代碼裝置預測在多軸比例 性和/或非比例性加載下的疲勞壽命。在一個實施例中，所述制品中的計算機可讀程序代 碼裝置包括以下中的至少一種用于處理鋁合金臨界剪切面的計算機可讀程序代碼裝置， 在臨界剪切面中剪切應變量達到其最大值；用于處理鋁合金損傷因子的計算機可讀程序 代碼裝置，損傷因子可歸因于循環多軸加載，損傷因子由多個損傷因子參數中的至少一個限定，損傷因子參數包括最大剪切應變量，法向應變量，最大法向應變量，剪切應力量，和 法向應力量；用于處理鋁合金硬化因子的計算機可讀程序代碼裝置，硬化因子可歸因于循 環多軸加載，硬化因子由多個單軸循環硬化因子參數中的至少一個限定，單軸循環硬化因 子參數包括疲勞強度系數，疲勞延性系數，疲勞強度指數，和疲勞延性指數；用于處理鋁 合金額外硬化因子的計算機可讀程序代碼裝置，額外硬化因子歸因于循環多軸非比例性加 載，額外硬化因子由額外硬化系數、扭轉硬化指數和非比例性值中的至少一個限定；用于處 理所接收的涉及鋁合金的信息的計算機可讀程序代碼裝置，所接收的涉及鋁合金的信息包 括微觀結構、熱物理和機械性能，并包括以下中的至少一種二次枝晶臂間距，晶粒尺寸， 缺陷尺寸，缺陷體積分數，第二相顆粒尺寸，第二相顆粒的縱橫比，第二相顆粒的體積分數， 剪切模量值，泊松比，和楊氏模量值。在一個實施例中，計算機可讀程序代碼裝置可在低循 環狀態下操作；而在另一實施例中，計算機可讀程序代碼裝置可在高循環狀態下操作。在又 一實施例中，計算機可讀程序代碼裝置在低循環和高循環的狀態下均可操作。基于如上所述，可以想到的是，基于微觀力學的疲勞壽命模型可包括以下中的至 少一種和/或它們的任意組合公式(17)的低循環多軸疲勞壽命模型，公式(18)的低循 環多軸疲勞壽命模型，和公式(19)的高循環多軸疲勞壽命模型。這樣，本發明的實施例可 在低循環情況下、高循環情況下、和/或低和高循環情況下操作以預測鋁合金的疲勞壽命。 進一步地，雖然在此為了示例性目的對鋁合金A356、6063和A356-T6 (熱等靜壓)進行評 估，不過應想到的是，本發明的實施例可操作以預測一種或多種任意類型的鋁合金的疲勞 壽命ο應注意到，在此對于以特定方式或者為了以特定方式體現特定性能或功能而“設 置”的實施例部件進行的描述，是結構性的描述，而不是對其目標用途的描述。更具體地，在 此對于“設置”部件的方式進行的描述表示部件所處的物理狀態，因而作為對部件結構因素 的限定性描述。應注意到，在此使用的諸如“基本”、“通常”和“一般”之類的用詞，不是用于限制要 求保護的實施例的范圍或者暗示特定特征對于要求保護的實施例的結構和功能是關鍵的、 基本的或甚至是重要的。而使，這些用詞僅用于確定一個實施例的具體方案或者強調在具 體實施例中可采用或不采用的可替代的或另外的特征。為了在此描述和限定實施例的目的，應注意的是，用詞“大致”、“顯著”和“基本”在 此用于不是可歸因于任何定量的比較、值、測量值或其它代表物的固有的不確定程度。用詞 “大致”、“顯著”和“基本”在此還用于表示定量代表物可偏離于設定基準而不會使所關注物 體基本功能發生變化的程度。通過對本發明實施例的詳細描述并參照其具體實施例，顯然的是，在不背離由所 附權利要求書限定的實施例范圍的情況下，可進行修改和變化。更具體地，雖然本發明的實 施例的一些方案在此被認為是優選的或是特別有利的，不過應想到的是，本發明的實施例 不僅限于這些優選方案。
權利要求
一種用于預測鋁合金在循環多軸加載下的疲勞壽命的系統，所述系統包括信息輸入端，其設置為接收以下中的至少一種與所述鋁合金相關的信息，和與所述鋁合金中所呈現的應力狀態相關的信息，和所述鋁合金的微觀結構特性以及熱物理和機械性能；信息輸出端，其設置為傳送與所述鋁合金相關的信息；處理單元；和與至少一個基于微觀力學的疲勞壽命模型協作的計算機可讀介質，其中，所述疲勞壽命模型通過處理至少部分所接收的信息來預測所述鋁合金的疲勞壽命，所接收的信息包括以下中的至少一種所述鋁合金的臨界剪切面，其中剪切應變量達到其最大值；所述鋁合金的損傷因子，所述損傷因子由多個損傷因子參數中的至少一個限定，所述損傷因子參數包括最大剪切應變量，法向應變量，最大法向應變量，剪切應力量，和法向應力量；所述鋁合金的硬化因子，所述硬化因子由多個單軸循環硬化因子參數中的至少一個限定，所述單軸循環硬化因子參數包括疲勞強度系數，疲勞延性系數，疲勞強度指數，和疲勞延性指數，其中，所述單軸循環硬化因子參數與所述鋁合金中的缺陷概率和微觀結構特性相關；額外硬化因子，所述額外硬化因子由于多滑移系統中的位錯相互作用所致，所述額外硬化因子由額外硬化系數、扭轉硬化指數和非比例性值中的至少一種限定，其中，所述額外硬化系數、扭轉硬化指數和非比例性值中的至少一種與所述鋁合金中的微觀結構概率和位錯結構相關；和所述鋁合金的微觀結構特性以及熱物理和機械性能，由以下中的至少一種限定缺陷尺寸，缺陷體積分數，二次枝晶臂間距，晶粒尺寸，第二相顆粒尺寸，第二相顆粒的縱橫比，第二相顆粒的體積分數，剪切模量值，泊松比，和楊氏模量值。
2.如權利要求1所述的系統，其中，所述單軸循環硬化因子參數的疲勞強度系數 (of')與所述鋁合金中的缺陷尺寸(&i)相關，并被表示為 其中，m是疲勞裂紋生長Paris定律指數。
3.如權利要求1所述的系統，其中，所述單軸循環硬化因子參數的疲勞延性系數 (ε f')與拉伸應變硬化指數(η)相關，并被表示為
4.如權利要求3所述的系統，其中，所述拉伸應變硬化指數(η)與以下中的至少一種相 關所述鋁合金的缺陷體積分數，第二相顆粒體積分數，二次枝晶臂間距，和屈服強度，并被 表示為 其中，O YS是屈服強度，CpCyCpC4和L是常數，ε *是塑性松弛開始時的應變，fp和fd 分別是第二相顆粒體積分數和缺陷體積分數，λ是二次枝晶臂間距。
5.如權利要求1所述的系統，其中，所述單軸循環硬化因子參數的疲勞強度指數(bj 與疲勞裂紋生長Paris定律指數(m)相關，并被表示為
6.如權利要求1所述的系統，其中，所述單軸循環硬化因子參數的疲勞延性指數(Ctl) 與拉伸應變硬化指數(η)相關，并被表示為
7.如權利要求1所述的系統，其中所述鋁合金的微觀結構特性通過使用與鑄造、固化和熱處理工藝的多尺度數學建模相 關的一個或多個參數而被提供，所述微觀結構特性的平均值基于所述鋁合金的鑄造、固化和熱處理工藝參數的標定基 線而計算出，以及所述微觀結構特性的概率取決于所述鋁合金的鑄造、固化和熱處理工藝參數的統計學變化。
8.如權利要求1所述的系統，其中，鑄造缺陷或微觀結構特性的尺寸分布通過利用累 積分布函數的極值統計而確定，所述累積分布函數被表示為 其中，χ是鑄造缺陷或微觀結構特性的特性參數，ζ和δ極值統計分布參數。
9.一種預測鋁合金在循環多軸加載下的疲勞壽命的方法，其中所述方法包括 設置基于計算機的系統以預測疲勞壽命，所述基于計算機的系統包括信息輸入端，其設置為接收以下中的至少一種與所述鋁合金相關的信息，和與所述鋁 合金中所呈現的應力狀態相關的信息和所述鋁合金的微觀結構特性以及熱物理和機械性 能；信息輸出端，其設置為傳送與所述鋁合金相關的信息； 信息存儲器和指令存放存儲器中的至少一種； 中心處理單元；和計算機可讀程序代碼裝置，用于處理至少一部分所接收到的與鋁合金相關的信息，其 中所接收到的與鋁合金相關的信息包括以下中的至少一種 所述鋁合金的臨界剪切面，其中剪切應變量達到其最大值；所述鋁合金的損傷因子，所述損傷因子可歸因于循環多軸加載，所述損傷因子由多個 損傷因子參數中的至少一個限定，所述多個損傷因子參數包括最大剪切應變量，法向應變量，最大法向應變量，剪切應力量，和法向應力量；所述鋁合金的硬化因子，所述硬化因子可歸因于循環多軸加載，所述硬化因子由多個 單軸循環硬化因子參數中的至少一個限定，所述多個單軸循環硬化因子參數包括疲勞強 度系數，疲勞延性系數，疲勞強度指數，和疲勞延性指數；額外硬化因子，所述額外硬化因子 由于循環多軸非比例性加載所激發的多滑移系統中的位錯相互作用所致，所述額外硬化因 子由額外硬化系數、扭轉硬化指數和非比例性值限定，其中，所述額外硬化因子參數與所述 鋁合金中的微觀結構概率和位錯結構相關；和所述鋁合金的特性微觀結構特征以及熱物理和機械性能，由以下中的至少一種限定 缺陷尺寸，缺陷體積分數，二次枝晶臂間距，晶粒尺寸，第二相顆粒尺寸，第二相顆粒的縱橫 比，第二相顆粒的體積分數，剪切模量值，泊松比，和楊氏模量值；和通過所述基于計算機的系統根據所述計算機可讀程序代碼裝置的處理預測所述鋁合 金的疲勞壽命。
10. 一種用于預測鋁合金在循環多軸加載下的疲勞壽命的制品，所述制品包括 用于預測疲勞壽命的基于計算機的系統，所述基于計算機的系統包括 信息輸入端，其設置為接收以下中的至少一種與所述鋁合金相關的信息，和與所述鋁 合金中所呈現的應力狀態相關的信息和所述鋁合金的微觀結構特性以及熱物理和機械性 能；信息輸出端，其設置為傳送與所述鋁合金相關的信息； 信息存儲器和指令存放存儲器中的至少一種； 中心處理單元；和計算機可讀程序代碼裝置，用于處理至少一部分所接收到的信息，其中所接收到的信 息包括以下中的至少一種所述鋁合金的臨界剪切面，其中剪切應變量達到其最大值；所述鋁合金的損傷因子，所述損傷因子可歸因于循環多軸加載，所述損傷因子由多個 損傷因子參數中的至少一個限定，所述多個損傷因子參數包括最大剪切應變量，法向應變 量，最大法向應變量，剪切應力量，和法向應力量；所述鋁合金的硬化因子，所述硬化因子可歸因于循環多軸加載，所述硬化因子由多個 單軸循環硬化因子參數中的至少一個限定，所述多個單軸循環硬化因子參數包括疲勞強 度系數，疲勞延性系數，疲勞強度指數，和疲勞延性指數；額外硬化因子，所述額外硬化因子由于循環多軸非比例性加載所激發的多滑移系統中 的位錯相互作用所致，所述額外硬化因子由額外硬化系數、扭轉硬化指數和非比例性值限 定，其中，所述額外硬化因子參數與所述鋁合金中的微觀結構概率和位錯結構相關；和所述鋁合金的特性微觀結構特征以及熱物理和機械性能，其由以下參數限定缺陷尺 寸，缺陷體積分數，二次枝晶臂間距，晶粒尺寸，第二相顆粒尺寸，第二相顆粒的縱橫比，第 二相顆粒的體積分數，剪切模量值，泊松比，和楊氏模量值；其中，所述基于計算機的系統根據所述計算機可讀程序代碼裝置的處理預測所述鋁合 金的疲勞壽命。
全文摘要
本發明公開一種預測鋁合金在多軸加載下的疲勞壽命的系統和方法。所述系統包括計算機可讀介質，其能夠與用于循環多軸加載的基于微觀力學的疲勞壽命模型協作。所述疲勞壽命模型通過處理由系統接收的與鋁合金以及鋁合金中所呈現應力狀態相關的信息預測疲勞壽命。所接收的信息包括以下中的至少一種臨界剪切面；損傷因子；硬化因子，其由與鋁合金中的缺陷概率和微觀結構特性相關的多個單軸循環硬化因子參數中的至少一個限定；額外硬化因子，其與非比例性相關；和鋁合金的熱物理和機械性能。可使用鑄造、固化和熱處理工藝的數學建模或通過基于金相測量的極值統計而計算出所述缺陷和微觀結構特性。
文檔編號G01N33/20GK101839904SQ20101013591
公開日2010年9月22日 申請日期2010年3月12日 優先權日2009年3月12日
發明者C·陳, D·莫, G·何, Q·王, X·劉, Y·王, Z·胡 申請人:通用汽車環球科技運作公司