[发明专利]一种疲劳裂纹扩展速率归一化预测方法

摘要

本发明涉及材料疲劳裂纹扩展速率预测领域，具体涉及一种基于能量释放率的疲劳裂纹扩展速率归一化预测方法。本方法包括：绘制设定金属材料在不同应力比下的数据图；构建应力比R=i下的金属材料疲劳裂纹扩展速率计算公式：将其表示成函数形式；确定R=i下的上述表达式实验常数及曲线；建立不同应力比R≠i下实验数据的归一化方法表达式；得到归一化方法表达式：确定α值和其数学表征形式α=f(R)，确定应力比归一化系数M的表达式和数据归一化方法的表达式；利用确定的R=i下的疲劳裂纹扩展速率公式对归一化后的数据进行预测。本方法具有方法简单、适用范围广等特点，便于工程应用。

主权项

一种疲劳裂纹扩展速率归一化预测方法，其特征在于,包括以下步骤：1）、在双对数坐标中绘制设定金属材料在不同应力比R∈(a,b)下的lg(da/dN)‑lg(ΔG)数据图。2）、构建应力比R=i下的金属材料疲劳裂纹扩展速率计算公式：da/dN=f(ΔGeqi)，将应力比R=i时的疲劳裂纹扩展速率（da/dN）表示成关于能量释放率变化幅ΔGeqi和能量释放率变化幅门槛值ΔGthi的函数形式，表达式如下： da dN = B [ ( Δ G eqi ) m - ( Δ G thi ) m ] - - - ( 1 ) 上式中，B、m为R=i时与其材料相关的常数。3）、利用绘制的应力比R=i下的lg(da/dN)‑lg(ΔG)数据图，由步骤2）中的公式（1），通过最小二乘法拟合得到实验参数B＝f1(i)和m＝f2(i)以及ΔGthi＝f3(i)，从而确定R=i下的公式（1）的表达式形式及曲线。4）、建立不同应力比R≠i下实验数据的归一化方法表达式ΔGeqi=MΔG                  （2）式中，应力比归一化系数M是与应力比R有关的函数；而对于不同应力比R下的能量释放率变化幅ΔG则通过应力强度因子变化幅ΔK进行求解，对于平面应变的疲劳裂纹扩展，有 ΔG = 1 - v 2 E Δ K I 2 + 1 - v 2 E Δ K II 2 + 1 + v E Δ K III 2 - - - ( 3 ) 上式中，ΔKΙ、ΔKΙΙ、ΔKΙΙΙ分别为I型、II型和III型应力强度因子变化幅，其中E为设定材料的弹性模量，ν为设定材料的泊松比；再将公式（2）中的应力比归一化系数M表示为与（1‑R）有关的函数形式，表达式如下：M＝(1‑R)α                   （4）上式中，α为应力比因子。将公式（4）代入公式（2）可以得到归一化方法表达式：ΔGeqi＝(1‑R)αΔG              （5）5）、对于R≠i时的数据，由公式（5）将不同应力比R下的数据等效到R=i，公式（5）中α值由等效到R=i的数据与步骤3）中公式（1）的表达式曲线进行最小二乘法拟合得到。6）、根据R‑α的对应关系，确定其数学表征形式α=f(R)，将其代入公式（4）和公式（5）中，进而最终确定应力比归一化系数M的表达式和数据归一化方法的表达式。7）、进行待测金属材料在不同应力比R≠i下的实验疲劳裂纹扩展速率预测：首先由R=i下的实验疲劳裂纹扩展速率数据通过步骤3），得到公式（1）中待测金属材料的材料常数B、m和ΔGthi，从而确定该材料在R=i下的疲劳裂纹扩展速率公式及其曲线；再利用公式（5）对R≠i下的实验数据进行归一化；由R=i下的疲劳裂纹扩展速率曲线实现对待测金属材料的不同应力比R≠i下的数据进行归一化的预测。