[发明专利]一种热冲击载荷作用下材料的寿命计算方法

权利要求书

1.一种热冲击载荷作用下材料的寿命计算方法，其特征在于：通过将热冲击裂纹长度a与热冲击温度T、热冲击速率比R_v和热冲击循环数N相关联，建立基于裂纹扩展的热冲击寿命计算模型：

上式中，da/dN为热冲击裂纹扩展速率；C、n和m为与热冲击温度有关的材料常数；R为热应力比；v为材料的泊松比；R_v为热冲击过程中升降温速率比；E'为弹性模量，E'＝E/(1-ν²)；σ_ys为材料的屈服应力，ΔK为与热冲击温度有关的应力强度因子；ΔK_th为应力强度因子阈值；

通过对式(1)进行积分，得到关于裂纹扩展的热疲劳寿命变化计算模型：

上式中，a_i为裂纹的萌生尺寸；N_i为裂纹的萌生寿命；

所述热冲击载荷作用下材料的寿命计算方法包括以下步骤：

(1)进行标准热疲劳试验件在不同试验条件下的热冲击试验，根据热冲击试验获得的不同热冲击温度和热冲击循环数下的试验结果建立a-N关系图；

(2)根据步骤(1)中的热冲击试验过程中试验件缺口处的温度变化计算生降温速率比R_v；

(3)根据步骤(1)中的a-N关系建立应力强度因子ΔK与裂纹长度a之间的关系：

上式中，k_t为试验件缺口处的应力集中系数；σ_max试验件试验区域的最大热应力；σ_cl为热冲击裂纹的闭合应力；ρ为试验件缺口根部半径；Q为形状修正因子；α为热疲劳裂纹扩展影响因子；a_s为热冲击裂纹的止裂尺寸；F为边界条件；c为热冲击裂纹的深度；t为试验件的厚度；b为试验件的宽度；Φ为椭圆形裂纹尖端的角函数；

(4)通过使用有限元软件计算试验件在热冲击试验条件下的缺口热应力σ和缺口应力集中系数k_t；

(5)根据步骤(1)中的试验结果计算应力强度因子阈值ΔK_th与裂纹长度a之间的关系：

上式中，d为材料的微观裂纹尺寸极限；σ_eR为材料的普通疲劳极限；

(6)通过将公式(3)、(4)代 入公式(2)进行积分，得出基于裂纹扩展的热疲劳寿命计算模型。

2.根据权利要求1所述的热冲击载荷作用下材料的寿命计算方法，其特征在于：所述式(1)中，等号右侧的热冲击过程中的升降温速率比R_v与热冲击过程中的试验条件密切相关，其大小能够反映出热冲击的剧烈程度。

3.根据权利要求1所述的热冲击载荷作用下材料的寿命计算方法，其特征在于：所述式(1)中，等号右侧的应力强度因子ΔK反映了热冲击过程中疲劳裂纹扩展的驱动力大小，其与热冲击过程中的温度、裂纹的长度和试验件的形状密切相关。

4.根据权利要求1所述的热冲击载荷作用下材料的寿命计算方法，其特征在于：所述式(1)中，等号右侧的应力强度因子阈值ΔK_th反映了热冲击裂纹扩展过程中需要克服障碍的大小，其与疲劳裂纹的长度和材料的属性相关。

5.根据权利要求1所述的热冲击载荷作用下材料的寿命计算方法，其特征在于：所述步骤(1)中，通过进行不同试验条件下的热冲击试验，确定不同热冲击条件下试验件的生降温时间、试验件缺口处的温度变化情况和热冲击裂纹长度a与热冲击循环数N之间的关系。

6.根据权利要求1所述的热冲击载荷作用下材料的寿命计算方法，其特征在于：所述步骤(2)中，根据步骤(1)中的热冲击试验过程中试验件缺口处的温度变化计算升 降温速率比R_v，表达式如下：

上式中，v_H为升温速率；v_C为降温速率。