基于夹杂-细晶粒区-鱼眼疲劳失效的超长寿命预测模型
作者单位：北京理工大学机械与车辆学院
会议名称：《第三届中国超高周疲劳学术会议》
会议日期：2016年
学科分类：08[工学] 080203[工学-机械设计及理论] 0802[工学-机械工程]
关 键 词：超长寿命疲劳 夹杂起裂 细晶粒区 鱼眼 寿命预测
摘 要：当前在航天、航空及车辆等领域中,机械部件的实际承载周期已远超10,甚至达到10-10。同时,发生在这个超长寿命区(10 cycles)的疲劳失效现象,屡见不鲜。因此,明确合金钢超长寿命疲劳失效机理,提出合适的超长寿命预测方法已成为当前疲劳研究领域的一个热点。本文旨在研究夹杂-细晶粒区-鱼眼诱发疲劳失效的超长寿命预测模型。然而,现有的超长寿命预测模型或方法多以裂纹扩展为基础,未虑及细晶粒区(fine granular area,FGA)、裂纹长度及裂纹萌生等对由内部夹杂诱发疲劳失效的影响。众所周知,疲劳过程是由裂纹萌生和裂纹扩展两方面组成。尤其在低应力-长寿命区,裂纹的萌生应占据一定的比重.因此,同时虑及裂纹萌生及扩展的影响,进而建立全寿命预测方法,亟待研究。在本研究中,基于Cr-Ni-W合金钢超长寿命疲劳试验结果及夹杂-细晶粒区-鱼眼诱发失效的疲劳特征,结合局部应力-寿命法和位错-能量法,分别构建了局部裂纹萌生寿命模型(local crack initiation life,LCIL)和考虑夹杂及细晶粒区影响的裂纹萌生寿命模型(inclusion and FGA based crack initiation life,IFCIL),并与传统Tanaka-Mura裂纹萌生寿命模型(T-M)进行了对比分析。其次,考虑裂纹从小到长的扩展特征,将细晶粒区作为小裂纹与长裂纹扩展行为的转换点,提出了小裂纹+长裂纹扩展模型,最终形成了包含裂纹萌生和扩展在内的全寿命预测模型。比较之下,IFCIL模型有较好的预测精度。在同一裂纹长度下,高应力区的裂纹萌生较快,而在低应力区的裂纹萌生较慢。在高应力区,同一应力幅值下的疲劳寿命随着裂纹长度的减小而明显减少。但在低应力区,这一趋势并不明显。当裂纹长度近似为细晶粒区半径时,其裂纹萌生寿命几乎等同于全寿命。随着应力幅值的降低,裂纹扩展寿命在全寿命中的比重会越来越低,即使在整体上,裂纹扩展寿命占全寿命的比重也较小。全寿命预测精度在±2倍偏差以内,可有效预测夹杂-细晶粒区-鱼眼诱发疲劳失效的超长寿命。