一種材料的蠕變-疲勞壽命預測方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及壽命預測領域，尤其涉及一種材料的蠕變-疲勞壽命預測方法。
【背景技術】
[0002] 在能源動力、石油化工和航空航天等領域中，許多結構部件長期運行在高溫條件 下受應變波形控制，循環失效周次往往不足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制的制約。而蠕變疲勞交互作用條件下材料 的壽命預測是材料結構完整性中最為重要的一個環節之一，因此對蠕變-疲勞壽命預測研 究是非常有意義的。
[0003] 自20世紀50年代以來，國內外學者在對材料在蠕變-疲勞交互作用下破壞行為 的研究方面進行了大量的研究工作，相繼提出了百余種蠕變疲勞壽命預測模型。一些壽命 預測模型受到了材料條件和試驗條件的限制，影響材料蠕變疲勞交互作用壽命的因素有很 多，例如溫度、總應變范圍和保持時間等。目前用于蠕變疲勞壽命預測的常見模型有頻率 修正模型、應變范圍區分方法、時間分數模型和延性耗竭模型。其中，頻率修正模型是經典 Manson-Coffin方程關于保持時間的延伸，但是此模型僅粗略考慮了頻率以及塑性應變范 圍對壽命的影響，并未從機理上解釋蠕變效應對蠕變-疲勞壽命的影響；雖然應變范圍區 分方法已經形成了一套比較成熟的理論體系，并且衍生出了應變能范圍區法等模型，但是 它依然以純唯象的方法為基礎，缺乏物理意義并且其參數擬合的步驟較為復雜；時間分數 模型和延性耗竭模型也以線性累積損傷為基礎，這類方法存在物理意義并且通過損傷交互 圖可以較好地運用于結構部件中，但是時間分數模型的壽命預測結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，現在迫切需要研究一種新的蠕變-疲勞壽命預測方法，以滿足蠕變-疲 勞試驗精度需求以及受蠕變-疲勞載荷工況的工程部件定壽需求。
【發明內容】
[0005] 為了解決上述現有技術存在的不足，本發明旨在提供一種基于應變能密度耗散法 以及線性累計損傷法則的蠕變-疲勞壽命預測方法，以更好地實現材料在蠕變-疲勞交互 作用下的壽命預測。
[0006] 為了實現上述目的，本發明采用如下技術方案：
[0007] -種材料的蠕變-疲勞壽命預測方法，包括以下步驟：
[0008] 步驟S1，在同一試驗溫度下分別進行材料的蠕變試驗、疲勞試驗和蠕變-疲勞交 互試驗，并且所述疲勞試驗和所述蠕變-疲勞交互試驗在同一應變速率和總應變范圍下進 行；
[0009] 步驟S2,根據所述蠕變試驗的結果，建立雙對數坐標下所述材料的失效應變能密 度Wf與非彈性應變能密度耗散率之間的函數關系；
[0010] 步驟S3,根據所述疲勞試驗的結果，獲取所述材料在所述試驗溫度、應變速率和總 應變范圍下每周次的疲勞損傷df;
[0011] 步驟S4,根據所述蠕變-疲勞交互試驗的結果，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變保持時間內半壽命周次下的應力σ (t)隨時間 t變化的函數關系；
[0012] 步驟S5,根據所述失效應變能密度Wf與非彈性應變能密度耗散率也之間的函數 關系、所述每周次的疲勞損傷df、以及所述在最大拉伸應變保持時間內半壽命周次下的應 力σ (t)隨時間t變化的函數關系，并結合半壽命周次下的所述滯后回線，計算得到半壽命 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] 進一步地，所述步驟S2中建立的所述失效應變能密度wf與所述非彈性應變能密 度耗散率之間的函數關系表示為：
[0015] ⑴，：
[0016] 在式（1)中，BJP n i分別表示與溫度無關的兩個材料線性回歸常數，T表示所述 蠕變試驗的試驗溫度，Q表示在所述試驗溫度下的熱激活能，R表示通用氣體常數，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中施加的蠕變應力值，ε ￡和tR分別 表示所述蠕變試驗中獲取的真蠕變延性和蠕變斷裂時間。
[0020] 進一步地，所述步驟S3包括通過式（5)計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的試驗條件下的疲勞壽命。
[0023] 進一步地，在所述步驟S4中建立的所述材料在最大拉伸應變保持時間內半壽命 周次下的應力σ (t)隨時間t變化的函數關系表示為：
[0024]
[0025] 在式（6)中，〇。、Δ %和t分別表示半壽命周次下的最大應力、塑性應變范圍以 及最大拉伸應變保持時間，A和B分別表示依賴于材料特征的線性回歸常數。
[0026] 進一步地，所述步驟S5包括：
[0027] 步驟S51，根據半壽命周次下的所述滯后回線計算所述材料的非彈性應變能密度 Win，表不為： _8]
(7)，
[0029] 在式（7)中，E表示所述材料在所述蠕變-疲勞交互試驗的試驗溫度下的彈性模 量；
[0030] 步驟S52,對非彈性應變能密度Win進行修正，修正后的非彈性應變能密度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力；
[0033] 步驟S53,對式⑶進行微分，得到修正后的非彈性應變能密度耗散率
[0034]
[0035] 在式（9)中，#表示所述材料在最大拉伸應變保持時間內半壽命周次下的應力松 弛率；
[0036] 步驟S54,對式（6)進行微分，得到：
[0037]
[0038] 步驟S55,將式（6)和（10)代入式（9)，得到：
[0039]
[0040]
[0041] 步驟S56,當所述蠕變試驗中不存在臨界失效應變能密度wf。時，通過式（12a)計 算半壽命周次下的所述蠕變損傷d。：
[0042]
[0043] 當所述懦變試驗中存在所述臨界失效應變能密度wf。時，通過式（12b)計算半壽命 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)得到所述蠕變試驗中不存在臨界失效應 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)得到所述蠕變試驗中存在臨界失效應變能密度wf。 時的所述蠕變損傷d。：
[0049] ?
[0050] 進一步地，在所述步驟S6中，根據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)，得到所述蠕變試驗中不存在臨界失效應變能密 度w f。時對應的蠕變-疲勞壽命< :
[0053]
[0054] 或者，將式（1)以及（13c)代入式（14)，得到所述蠕變試驗中存在臨界失效應變能 密度w f。時對應的蠕變-疲勞壽命:
[0055]
[0056]
[0057] 本發明與現有技術相比具有如下優點：
[0058] 1)能夠更加精確地預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 變能密度公式，平均應力以及應力松弛行為等三個方面的因素；
[0059] 2)本發明以能量準則為基礎，有清晰的物理意義；
[0060] 3)本發明具