[发明专利]用于预测金属合金的特高循环疲劳特性的方法和系统

说明书

技术领域

本发明总体上涉及用于预测金属合金疲劳寿命的方法和系统，并且 更具体地，涉及利用概率模型和高循环疲劳行为来预测铝及相关金属的 特高循环疲劳寿命。再更具体地，本发明涉及预测铸铝合金物体在特高 循环疲劳水平下的疲劳寿命。

背景技术

汽车设计中对改善燃料效率的增长的要求包括强调通过在车辆构 件(包括在动力系和相关构件部分中)的零件制造中使用轻质材料来减 小构件质量。总体而言，铸造轻质非铁合金，特别是铝合金，正在被越 来越多地用在、但不限于，发动机缸体、汽缸盖、活塞、进气歧管、支 架、壳体、车轮、底盘和悬架系统中。除了使这些构件更轻，铸造和相 关可扩展工艺的使用也帮助保持低的生产成本。

由于铸铝和其它轻质金属合金在车辆构件中的很多应用涉及到非 常高的循环(通常，多于10⁸次循环，并且经常涉及10⁹至10¹¹次之间循环) 的加载，故合金的疲劳特性，尤其是特高循环疲劳(VHCF)特性，是 这些结构性应用的关键设计标准。铸铝构件的疲劳特性极大地取决于在 铸造期间所产生的不连续处(其经常萌生疲劳裂纹)，例如空隙和相关 孔隙，或氧化膜等。此外，在铸件的给定部分中具有铸造不连续处的概 率取决于很多因素，包括熔融物质量、合金成分、铸件几何结构和固化 条件。由于这些因素，以及材料的固有非均匀性，可以理解，疲劳的本 质是概率性的，在这种情况下，对某一载荷范围上所期望行为的预测比 试图设立一个精确的、可再现的疲劳值更有意义。

尽管如此，存在提供对疲劳行为的良好指示的因素。例如，裂纹容 易从位于构件自由表面附近或构件自由表面处且遭受循环加载的大的 不连续处开始，这样的开裂的尺寸对于确定构件的疲劳寿命是重要的。 一般而言，由此产生的对于给定次数的循环至破坏而言的疲劳强度，或 对于给定载荷而言的疲劳寿命，与萌生疲劳裂纹的不连续处的尺寸成反 比。

疲劳的一种具体形式，即公知为高循环疲劳(HCF)，涉及到很多 次地重复施加循环应力。这种“很多次”最普遍提及的值为大约上千万 (10⁷)。很多结构材料(例如，铁基合金或非铁基合金)在HCF是重要 性的构件和应用中使用的合适性通常由熟知的手段来衡量，例如从著名 的S-N曲线中的数据来衡量，在图1和图2A中示出了S-N曲线的实例，其 中，材料能经受的全交变应力循环的次数随着应力水平的提高而减少。 特别参照图1，很多材料(例如，铁基合金)的疲劳强度和相应的S-N曲 线在一定的循环次数以上在公知为耐久极限的应力处趋于变平。一般而 言，耐久极限是在不发生破坏的情况下向材料施加无限次这种全交变循 环的最大应力。

不幸的是，铝基合金(也在图1中示出)却未显示出清晰限定的耐 久极限，而是对于数百万到数万亿次循环的疲劳寿命而言呈现出继续的 更低水平的容许循环应力。认为这样的合金通常不具有耐久极限，或即 使具有耐久极限，该耐久极限不是普遍可辨别出或者容易量化的。在任 一种情况下，在超出HCF极限或与特高循环疲劳(VHCF，通常从大约 10⁸到10¹¹，或更多次循环)相关联的极限的情况下，很难确定铸铝合金 的合适的设计强度(在循环加载下)和相关的材料特性。由于由这样的 合金制成的构件的长期性质对于它们的成功十分关键且被认为是这些 构件在结构应用中的重要设计标准，因此，期望有另外的方法以大致类 似于预测铁基合金疲劳行为所使用的方法来确定铸铝合金的强度和相 关性质。