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原文传递一种基于晶粒尺寸及显微硬度的搅拌摩擦焊接头疲劳寿命预测方法

专利名称：	一种基于晶粒尺寸及显微硬度的搅拌摩擦焊接头疲劳寿命预测方法
摘要：	一种基于晶粒尺寸及显微硬度的搅拌摩擦焊接头疲劳寿命预测方法，属于疲劳诊断分析领域。对试样进行不同加载水平下的疲劳小裂纹扩展复型实验，得到断裂在搅拌摩擦焊接接头不同区域的裂纹扩展数据；通过搅拌摩擦焊接头各区微观性能对Elber裂纹闭合方法进行修正，进而得出在不同应力比条件下断裂在接头不同区域的ΔKeff‑da/dN裂纹扩展速率基线，拟合相关系数C、m；确定初始裂纹尺寸a0和临界裂纹尺寸ac；利用ABAQUS模拟出搅拌摩擦焊接头在不同加载水平下的薄弱区域，据此选择修正因子M及初始裂纹尺寸a0取值。通过不断循环计算，当裂纹尺寸达到临界裂纹尺寸ac时视为断裂，得到不同加载水平下搅拌摩擦焊接头的疲劳寿命。
专利类型：	发明专利
申请人：	北京工业大学
发明人：	孙国芹;韩文彪
专利状态：	有效
申请日期：	1900-01-20T00:00:00+0805
发布日期：	1900-01-20T17:00:00+0805
申请号：	CN201911386627.4
公开号：	CN111024487A
代理机构：	北京思海天达知识产权代理有限公司
代理人：	刘萍
分类号：	G01N3/00;G01N3/06;G;G01;G01N;G01N3;G01N3/00;G01N3/06
申请人地址：	100124 北京市朝阳区平乐园100号
主权项：	1.一种基于晶粒尺寸及显微硬度的搅拌摩擦焊接头疲劳寿命预测方法，其特征在于，步骤为：步骤1)：针对搅拌摩擦焊接头分区特征制备试样，疲劳试样中间部分呈圆弧状，总共制备四批试样，每批试样大于3个，各批试样横截面最小部分分别对应疲劳试样焊核区(NZ)、热机械影响区(TMAZ)、热影响区(HAZ)及母材区(BM)，使得每批试样断裂位置在最小横截面对应区域；对每批试样进行不同应力水平下的加载，并对疲劳小裂纹进行贴膜复型，采用割线法计算小裂纹扩展速率，得到断裂在搅拌摩擦焊接接头不同区域的裂纹扩展数据，割线法公式如下：其中ΔN为循环区间，Δa为裂纹长度变化值，ai为循环数为Ni时的裂纹长度；步骤2)：以下针对搅拌摩擦焊接头的寿命预测方法是基于传统Elber裂纹闭合方法进行修正所得到的，Elber从描述裂纹张开应力σop角度出发计算有效应力强度因子范围ΔKeff，从而建立起以ΔKeff为基础的疲劳裂纹扩展预测模型；基于晶粒尺寸、显微硬度及其梯度对搅拌摩擦焊接头疲劳机理的影响，利用提出的修正因子M对Elber裂纹闭合方法进行修正，最终的寿命预测方法适用于搅拌摩擦焊接头寿命预测；M的取值与显微硬度、显微硬度梯度以及晶粒尺寸有关，焊核区(NZ)、热机械影响区(TMAZ)、热影响区(HAZ)、母材区(BM)分别计算出不同的M值，最终采用的M值取决于相应载荷水平下的薄弱区域；对于以下裂纹扩展速率模型，循环数为Ni时的有效应力强度因子范围ΔKeff，i由下式求得： ΔKeff，i＝Kmax，i-M·Kop，i (2) 式中Kmax，i、Kop，i分别为循环数为Ni时的最大应力强度因子、张开应力强度因子，计算方法如下式：其中Y为几何修正因子，采用Raju和Newman提出的计算方法进行计算；ai为循环数为Ni时的裂纹长度；σmax为外加最大应力；σop为裂纹张开应力，通过Newman张开应力计算公式得到； M为修正因子，通过以下公式进行计算：式中g为搅拌摩擦焊接头对应区域显微硬度的变化梯度，本发明定义其计算方法如下：其中\|HVi-HVi-1\|为第i-1个测量点与第i个测量点之间的显微硬度值偏差；l为两相邻测量取样点间距；n为被测试件对应区域测显微硬度时的取样点个数，测量显微硬度取样点个数需大于等于3个； HVave为搅拌摩擦焊接头对应区域平均显微硬度值，HV0，ave为母材区域平均显微硬度值，其计算方法为：“对应区域所有测量点显微硬度值的总和”与“测量取样点的个数n”的比值； d为搅拌摩擦焊接头对应区域平均晶粒尺寸，d0为母材区域平均晶粒尺寸，其确定方法为：由母材及接头各区的EBSD实验数据得到；步骤3)通过搅拌摩擦焊接头各区的晶粒尺寸、显微硬度及其变化梯度计算各区域对应的修正因子M；步骤4)结合步骤1)中不同加载水平下的恒幅疲劳裂纹扩展数据，利用修正后的Elber裂纹闭合方法得出搅拌摩擦焊接头在不同应力比下的裂纹扩展速率ΔKeff-da/dN基线，此基线是通过M修正因子将不同应力比、断裂在不同区域的裂纹扩展速率曲线聚合在一起所得，以此拟合出用于计算裂纹扩展增量的Paris公式中相关系数C、m；步骤5)：初始裂纹尺寸a0和临界裂纹尺寸ac的确定；搅拌摩擦焊接头各区(焊核区(NZ)、热机械影响区(TMAZ)、热影响区(HAZ)及母材区(BM))微结构初始尺寸不同，对焊接接头各区进行金相观察，将对应区域内强化颗粒的平均尺寸作为该区域对应的初始裂纹尺寸a0，临界裂纹长度ac通过断裂韧性KIC的定义得出，公式如下：其中KIC为材料断裂韧性，σmax为最大外载应力；步骤6)：利用ABAQUS软件模拟疲劳试样在不同加载水平下的薄弱区域；对搅拌摩擦焊接头疲劳试件进行建模，通过四点关联法，利用搅拌摩擦焊各区的微拉伸应力应变数据计算出所需的疲劳参数，对疲劳试件进行不同载荷水平下的疲劳加载，得出不同加载水平下的应力最大点所在区域，将此区域作为此加载水平下的薄弱区域；步骤7)：结合步骤6)中确定的薄弱区域，选取对应薄弱区域的初始裂纹长度a0，利用Newman裂纹张开应力计算公式计算初始裂纹尺寸对应的裂纹张开应力Kop，0；步骤8)：结合步骤6)中确定的薄弱区域，确定当前载荷水平下薄弱区域修正因子M的取值；步骤9)：结合公式(7)中确定的初始裂纹长度a0，利用裂纹扩展速率模型即公式(2)计算对应于初始裂纹尺寸的有效应力强度因子ΔKeff，0；步骤10)：通过步骤4)所确定的材料常数C、m及步骤9)所确定的有效应力强度因子范围ΔKeff，i,利用Paris公式计算薄弱区域在每个循环下的裂纹扩展增量 Δai＝C(ΔKeff，i)m (8) 当前循环下的裂纹尺寸通过下述公式计算： ai＝ai-1+Δai (9) 步骤11)：通过公式(2)及公式(8)计算每个循环下的裂纹扩展增量Δai，通过公式(9)计算当前循环下的裂纹长度ai；通过不断循环计算，当前裂纹尺寸ai不断更新，当裂纹尺寸达到临界裂纹尺寸ac时视为断裂，进而得到不同加载水平下搅拌摩擦焊接头的疲劳寿命。
所属类别：	发明专利