Zr4合金薄片材料的应变疲劳与寿命估算
高温合金钢的疲劳寿命预测与寿命评估方法研究
高温合金钢的疲劳寿命预测与寿命评估方法研究摘要：高温合金钢在高温环境下使用广泛，但由于高温下疲劳寿命的限制，其可靠性和安全性常常成为一个重要的问题。
因此，准确预测高温合金钢的疲劳寿命，评估其使用寿命，对于设计和维护高温应用的结构具有重要意义。
本文综述了目前常用的高温合金钢疲劳寿命预测与评估的方法，包括经验公式、试验方法和数值模拟方法，并对各种方法的特点、优缺点进行了分析比较。
同时，介绍了当前研究中的一些新方法，如有限元法和人工智能算法等，这些方法对于提高高温合金钢的疲劳寿命预测和寿命评估的精度和效率具有潜力。
1. 引言高温合金钢具有优异的高温强度和耐热特性，因此广泛应用于航空、能源、化工等领域。
然而，高温环境下的疲劳是高温合金钢使用寿命的主要限制因素之一。
随着高温合金钢所承受的应力循环次数增加，材料内部会出现裂纹并逐渐扩展，最终导致疲劳破坏。
因此，准确预测高温合金钢的疲劳寿命，并评估其使用寿命，对于确保结构的可靠性和安全性非常重要。
2. 高温合金钢疲劳寿命预测方法2.1 经验公式法经验公式法是最简单和常用的高温合金钢疲劳寿命预测方法之一。
该方法基于试验数据和经验公式，通过捕捉材料的特性，预测材料在给定应力水平下的疲劳寿命。
然而，经验公式法通常基于试验结果得出，无法考虑材料的微观结构和应力历史等因素，预测结果的准确性和适用性有限。
2.2 试验方法试验方法是高温合金钢疲劳寿命预测中常用的方法之一，它直接测量材料在不同应力水平下的疲劳寿命。
常见的试验方法包括疲劳试验和循环应变试验。
疲劳试验通过加载和卸载来模拟实际工况下的应力循环，通过观察试样的疲劳破坏形态和记录破坏次数，得到疲劳寿命。
循环应变试验则通过施加不同的循环应变来评估材料在高温下的疲劳性能。
虽然试验方法能够提供更准确的疲劳寿命数据，但试验成本高、时间长，且无法考虑材料微观结构和应力历史等因素。
3. 高温合金钢寿命评估方法3.1 经验公式法与疲劳寿命预测类似，经验公式法也是一种常用的高温合金钢寿命评估方法。
疲劳寿命预测方法概述_龙老虎
如 发动 机气 缸 阀 门弹 簧
。
、
汽 轮 机叶 片
、
一 般机 械等 仁 J 是 一 种控制 疲劳 裂纹萌 生 的疲 劳寿 命 预测 方 法
Z
,
疲劳 寿 命预 测
控 制裂 纹 发
展 阶段 段
基 本 原理 理
控制 裂纹 纹 萌生
控制 扩 裂纹 展纹
断裂 力 学方 法
唯 象方法 法
,
,
损 伤容 限
疲 劳设 计
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永 远 不 会 断裂
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另 一 种 无 限寿命 设 计 方 法 是 从 断裂 力学 的角 度 认 为 当 零 件 的应 力 强 度 因 子 幅
,
八 K
小于
,
该 材 料 的疲 劳 裂纹 扩 展 门槛 值 时 就 不 会 有疲 劳裂 纹扩展 发 生 从而 该零 件 也 永 远 不 会断 裂 具有 无 限寿 命 会断 裂
2 2
.
,
。
Zr-4合金变形及退火过程中组织与织构演变
Zr-4合金变形及退火过程中组织与织构演变由于其优异的耐腐蚀性能、较低的热中子吸收截面和适中的力学性能,锆(Zr)合金广泛应用在核工业领域。
Zr-4合金是一种典型的商用锆合金,主要用于制备核反应堆燃料组件中的包壳管和定位隔架。
本文研究了Zr-4合金在两种变形过程中(轧制、平面内单向压缩)以及后续退火过程中的组织与织构演变规律与机制,为Zr-4合金成形性能的进一步提升奠定了一定的理论基础。
以热轧退火态的Zr-4板材为实验材料,以电子背散射衍射(EBSD)为主要研究方法,首先分析了初始Zr-4合金板材分别在室温和液氮温度下的轧制变形和后续退火处理过程中的组织演变规律。
然后,针对轧制、退火处理后的Zr-4合金板材,研究了轧制方向压缩变形以及后续退火过程中的组织与织构演变规律及机制。
主要结论如下:在液氮温度下、轧制变形量达40%时,初始Zr-4合金板材中没有出现明显的孪晶片层,这可能是由于初始晶粒尺寸较小,激活孪生的应力较高有关。
与室温轧制相比,液氮轧制中的不均匀变形现象更加显著,这可能是因为滑移系的临界剪切应力(CRSS)值随着变形温度的降低而显著增加,从而增强了晶粒变形对初始取向的依赖性。
在相同轧制应变量条件下,与室温轧制相比,液氮轧制促进了再结晶晶粒的生长,这可能归因于低温轧制诱导的非均匀变形,这给予了再结晶晶核的尺寸优势和取向差优势。
针对液氮轧制+退火处理后的Zr-4板材的RD压缩变形过程中,随着变形量的增大,拉伸孪晶的面积分数和数量也随之增加。
在压缩变形后的退火过程中,预制孪晶界可能会发生热激活迁移,孪晶界的热迁移主要使得孪晶长大,同时促使孪晶诱导的织构组份得到强化。
预制孪晶界的热激活迁移与变形量的大小相关,较低变形量时,迁移温度越高,甚至在接近相变点温度时都不发生迁移;较大变形量时,迁移温度越低,这可能是因为大变形量造成了孪晶界面共格性的丧失(提高了孪晶界面的可动性),同时增加了孪晶界面两侧的应变能差异(提高了孪晶界面迁移的驱动力)。
基于Z_c参数的HP耐热合金高温蠕变及持久寿命的预测方法
第46卷第3期材料工程V。
1.46 No.32018 年3月第 112 —116 页Journal of MaterialsEngineering Mar. 2018 pp.112-116基于厶参数的H P耐热合金局温螺变及持久寿命的预测方法Prediction of High Temperature CreepDeformation and Rupture Life on HPHeat Resistant Alloy Using Zc Parameter李会芳，赵杰，程从前，闵小华，曹铁山，许军(大连理工大学材料科学与工程学院，辽宁大连116024)L IH u i-fang，Z H A O Jie，CHENG Cong-qian，MIN Xiao-hua，CAO Tie-shan，XUJun(School of Materials Science and Engineering,Dalian Universityof Technology,Dalian 116024, Liaoning,China)摘要：通过研究HP耐热合金的高温蠕变实验数据，提出一种基于乙参数的高温蠕变变形预测方法，并且利用该方法对HP耐热合金的高温蠕变性能进行预测和分析。
结果表明：在1000,980^和930^下，蠕变应变分别为0.5%和1%时，预测数据与HP耐热合金的蠕变实验数据符合较好。
同时利用基于乙参数的高温蠕变变形预测方法对H P耐热合金的高温持久寿命进行了评估，结果表明由该方法得到的预测主曲线与耐热合金的持久实验数据吻合较好。
关键词：HP耐热合金；蠕变；持久寿命预测；乙参数doi： 10.11868/j.issn.1001-4381. 2016. 000354中图分类号：TG132.3+3 文献标识码：八文章编号：1001-4381(2018)03-0112-05Abstract：Through the study on h igh temperature creep data of HP heat resistant alloy,a prediction method of high temperature creep deformation based on Zc parameter was proposed.The creep resis--ance of HP heat resistant alloy w as predicted by this method.The results indicate that the predicted data are in good agreement with the HP heat resistant alloy creep experimental data at 1000,980 °C and 930°C.At the same time,the creep rupture life of heat resistant alloy was evaluated by this method, the results show that the predicted principal curves agree well with the experimental data.Key words：HP heat resistant alloy；creep；rupture life prediction；Zc parameter随着科技的发展和工业需求的不断増长，高温合 金以其优良的抗蠕变性能与组织稳定性能[1]，在航空 航天的发动机、核工业的高热部件和发电厂的燃气轮 机等心脏部位获得大量应用[23]。
管材的低周疲劳性能分析及应变-寿命公式的确定与验证[1]
![管材的低周疲劳性能分析及应变-寿命公式的确定与验证[1]](https://img.taocdn.com/s3/m/39706bd5240c844769eaee19.png)
应力(MPa)
400
400
200
200
-0.003
-0.002
0 -0.001 0.000
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0.001
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应变(mm/mm)
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应变(mm/mm)
0.003
-400
-400
-600
-600
图 2 试件 A 部分滞后环
2 赵新伟, 韩晓毅, 罗金恒等. 西气东输用焊接钢管疲劳可靠性寿命评估[J]. 石油机械, 2005, 33(3): 10-13
3 姚卫星. 结构疲劳寿命分析[M]. 北京: 国防工业出版社, 2003: 36-38
4 徐灏. 疲劳强度设计[M]. 北京: 机械工业出版社, 1981: 277-288
当循环周次达到一定程度时两试件的应力幅值突然减少，即管材发生疲劳破坏，将循环稳定时
应力幅的75%作为管材的失效标准，则两个试件的低周疲劳寿命分别为14508和14018周次。
600
400
应力(MPa)
200
0 0
-200
-400
2000
4000
6000
8000 10000
循环周次
12000
14000
本文对某输油管道的管材分别进行了单向拉伸和低周疲劳测试，对其低周疲劳性能做了讨论， 并以拉伸实验为基础，通过经验公式计算出管材的应变-寿命公式（以Manson-Coffin公式为例）的各 项参数值，并以低周疲劳实验结果对该公式做进一步的验证，为管道的评价与安全运营提供参考依 据。
Zr-4合金压缩形变行为的研究
关键 词： 锆合 金 ， 中子 原位 衍射 ， 弹塑 性 自洽模 拟， 形变机 理
Ｐ Ａ ＣＳ ： ６ １ ． ０ ５ ． ｆ ｍ， ６ ２ ． ２ ０ ． Ｆ 一 ， ４ ６ ． ０ ５ ． ＋ ｂ
ＤＯＩ ： １ ０ ． ７ ４ ９ ８ ／ ａ ｐ ｓ ． ６ ３ ． ２ ３ ６ １ ０ １
广泛 的应 用 ［ １ ］ ．Ｚ ｒ 合金 作 为结 构材 料使 用 时 ， 其在
外 部环 境 （ 载荷 、 温 度 等） 作用 下 的形变 行 为直 接影
响材 料 的使 用寿 命 ， 关 系到材 料 的服 役安 全 ．因此， 研 究ｚ ｒ 合 金 在 外 载 作 用 下 内 部 应 力 状 态 的 演 化 及 形变 机 理 非常 必 要 ．密 排六 方 （ ｈ ｅ ｘ ａ ｇ ｏ ｎ ａ ｌ ｃ ｌ ｏ ｓ ｅ
４２ １ ４ ４ ４
参考 文献
Ｎｏ ｒ ｔ ｈｗｏ ｏｄ Ｄ Ｏ １ ９ ８ ５ Ｍ ａｔ ｅ ｒ ．Ｄ ｅ ｓ ．６ ５ ８ ［ １ ］ Ｆｉ ｓ ｈｅ ｒ Ｅ Ｓ．ＲＪ ｅ ｎ ｋｅ ｎ Ｃ Ｊ １ ９ ６ ４ Ｐｈｙ ｓ ．Ｒｅ ｖ ．１ ３５ Ａ４ ８ ２ 【 ２ ］ Ｔｏ ｍｅ Ｃ Ｎ，Ｍ ａｕ ｄｌ ｉ ｎ Ｐ Ｊ ，Ｌｅ ｂｅ ｎｓ ｏｈ ｎ Ｒ Ａ ，Ｋａｓ ｃ ｈ ｎｅ ｒ Ｇ 【 ３ ］
为（ 尤 其 是 原 位 压 缩 形 变 行 为） 的研 究相对较 少． 由于标准压缩样 品对加载装 置 ｆ 尤 其 是 原 位 加 载
１ １ ２ ６ ０ ０ １ ， １ １ １ ０ ５ １ ２ ８ ， ５ １ ２ ３ １ ０ ０ ２ ） 资 助 的课 题 中国博 士后科 学基金 （ 批准号： ２ ０ １ ２ Ｍ５ ２ １ ７ １ ５ ） 和国家 自然科学基金 （ 批 准号 ９ 十通 讯 作 者 ．Ｅ— ｍａ ｉ ｌ ：ｌ ｉ ｈ ｏ ｎ ｇ ｊ ｉ ａ ＿ｃ ａ ｅ ｐ ＠１ ２ ６ ． ｃ ｏ ｍ
高温合金钢的疲劳寿命预测与评估
高温合金钢的疲劳寿命预测与评估高温合金钢是一种重要的材料，广泛应用于航空航天、能源等领域。
然而，在高温环境下，高温合金钢容易出现疲劳破坏，降低其使用寿命和可靠性。
因此，对于高温合金钢的疲劳寿命预测与评估显得尤为重要。
疲劳寿命预测与评估是通过对材料进行试验和分析，结合疲劳损伤理论和数值计算方法，来估计材料在特定工况下的寿命。
对于高温合金钢而言，其疲劳寿命预测与评估可以通过以下几个方面进行：首先，需要对高温合金钢的材料性能进行测试和分析。
这包括材料的化学成分、热物理性质、力学性能等。
通过实验和分析，可以获得材料在高温环境下的材料性能，进而为后续的疲劳寿命预测和评估提供基础数据。
其次，需要进行高温疲劳试验。
在高温环境下，对高温合金钢进行疲劳试验，以获取其在不同应力水平下的疲劳寿命曲线。
通过对试验结果的统计分析，可以得出高温合金钢的疲劳寿命与应力水平、温度等因素之间的关系。
接下来，需要根据疲劳损伤理论进行疲劳寿命预测。
疲劳损伤理论认为，材料在受到交变载荷作用下，会发生疲劳损伤，最终导致疲劳破坏。
通过根据高温合金钢的疲劳试验结果，结合疲劳损伤理论进行计算，可以预测材料在不同工况下的疲劳寿命。
最后，需要进行疲劳寿命评估。
疲劳寿命评估是对疲劳寿命预测结果的验证和确认。
通过与实际使用情况的对比，评估预测结果的准确性和可靠性。
如果对于高温合金钢的预测结果与实际使用情况相符，那么可以认为疲劳寿命预测是准确可靠的。
在进行高温合金钢的疲劳寿命预测与评估时，还需要考虑一些其他因素。
例如，材料的表面处理、工艺参数、应力集中等因素都可能对疲劳寿命产生影响。
因此，在进行预测和评估时，需要综合考虑这些因素，并进行相应的校正和修正。
总之，高温合金钢的疲劳寿命预测与评估是提高材料可靠性和寿命的重要工作。
通过对材料性能进行测试和分析，进行高温疲劳试验，应用疲劳损伤理论进行预测计算，并进行评估和验证，可以为高温合金钢的设计和使用提供科学依据。
金属疲劳寿命预测
金属疲劳寿命的预测摘要当一个金属样品受到循环载荷时，大量的起始裂纹将在它的体内出现。
样品形成了有初始裂纹的样本：样品越大，样本也越大。
在作者先前的研究中表明，在极值统计的帮助下，通过估计最大预期裂纹深度能够预测疲劳极限。
本来表明，在一个类似的方式下，疲劳极限以上的疲劳裂纹萌生时间是可以预测的。
用最小的分布可得到最短预期初始时间的预测，代替了用最大分布估计最大裂纹尺寸，并以广泛的实验数据获得了好的赞同。
本文为构件的总的疲劳寿命估计提供了一种新的方法。
当得知了预计的裂纹萌生寿命和临界裂纹尺寸时，稳定的裂纹扩展就能通过Paris law计算出来。
总的疲劳寿命的估算值是裂纹萌生和裂纹扩展的总和。
本文介绍的是：为发现任何一种材料裂纹萌生寿命而相应的构建设计曲线的方法。
1、介绍估计金属构件疲劳寿命的最古老和最常用的方法是S-N曲线，尽管它的缺点众所周知。
其中之一是，因观察试样缺口的光滑程度不同而使得疲劳寿命有很大的不同。
有些手册尝试通过为不同的应力值浓度的因素单独设计曲线解决这个问题，如Buch。
其被当时看作是避免这一问题的局部应变方法。
在这种方法中，提出了无论试样的形状如何，相同的应变振幅总是相同的疲劳寿命。
一个构件的总疲劳寿命可以分为3个阶段：裂纹产生、裂纹稳定扩展和裂纹失稳生长。
最后一个阶段很迅速，在估计总的疲劳寿命时可以在实际工作中忽略。
利用LEFM可获得裂纹稳定生长的可靠样本。
不同几何的应力强度因子和所收录例子的大量的公式都可在文献中找到，并且权函数的使用为扩展这种方法的使用提供了可能性。
用类似LEFM的方式对裂纹初始相位的建模，或裂纹的扩展做了很多的尝试，例如：Miller，Austen，Cameron and Smith。
另一种方法是用局部应变方法仅对初始寿命进行估计，然后用LEFM和一个合适的计算机程序完成对总疲劳寿命的计算。
经Makkonen研究表明，统计方法能够用来预测金属构件的疲劳极限。
弹性材料的力学性能与疲劳寿命研究
弹性材料的力学性能与疲劳寿命研究弹性材料是一类具有良好的回弹性能以及高度变形能力的材料，广泛应用于各个领域，如机械工程、建筑工程、汽车工程等。
在工程应用中，了解弹性材料的力学性能，特别是疲劳寿命，对材料的设计和使用具有重要意义。
弹性材料的力学性能直接与其组织结构和化学成分有关。
例如，弹性体的分子链结构可以通过交联加强，从而获得更高的弹性模量和耐疲劳性能。
此外，材料的形状和尺寸对力学性能也有影响。
改变材料的形状和尺寸，可以通过减小应力集中和增加材料的抗拉强度来提高其力学性能。
疲劳寿命是材料在循环载荷下断裂前所能承受的循环载荷次数。
疲劳是一种渐进的、逐渐积累的现象，材料在循环载荷下会逐渐发生裂纹，最终导致断裂。
疲劳断裂在实际工程中是一种常见的失效模式，因此疲劳寿命研究对材料的设计和可靠性评估至关重要。
疲劳寿命的预测是弹性材料力学性能评估的核心问题之一。
传统的方法包括试验和数值模拟。
试验方法通过在实验室中施加不同幅值和频率的循环载荷，测量材料的疲劳寿命，从而得到材料的疲劳性能曲线。
数值模拟方法基于材料的力学性质和疲劳断裂机制，利用有限元方法等数学模型，预测材料在不同载荷条件下的疲劳寿命。
近年来，随着先进试验技术和计算机模拟技术的发展，疲劳寿命预测的精度得到了显著提高。
例如，通过在试验中使用高精度力传感器和位移传感器，可以准确测量材料在不同载荷下的应力和应变，从而为疲劳寿命预测提供更准确的数据。
同时，使用基于材料力学行为的数值模拟方法，可以更好地理解材料的疲劳断裂机制，从而提高疲劳寿命的预测精度。
弹性材料的疲劳寿命研究不仅对于工程应用具有重要意义，还对于材料科学的发展有着深远的影响。
通过深入研究材料的力学性能和疲劳寿命，可以揭示材料内部的微观结构和变形机制，为材料设计和制备提供指导。
同时，疲劳寿命的研究也为其他材料性能的研究提供了借鉴和参考。
比如，弹性材料的疲劳寿命研究可以与材料的抗拉强度、硬度等性能指标进行对比，从而更全面地评估材料的力学性能。
Zr-4合金小试样高温疲劳行为研究
材料试验机的 ＰＤ增益调节器参数 ， Ｉ 实现了漏斗
图 １ 薄 片漏斗试样几 何尺寸（ ｍｍ）
Ｆｇ １ Ｓ ｅｉ ｅ ｍｅ ｓ ｎｍｍ） ｉ． ｐ ｃｍ ｎＤｉ ｎ ｉ （ ｏ
形薄片小试样在室温和 ４０ ０ ℃高温下的应变循环
收稿 日期 ：２ ０ －ｌ１ ：修回日期 ：２ ０－８ ７ ０ ５Ｏ －７ ０５０ － ２
及低周疲劳实验 ；通过 Ｅ Ｆ Ａ 弹塑性有限元分 ＰＥ （
析） 得到了横向应变向轴 向应变换算的等效公式 ， 进而得到 了 ｚ ４合金应变循环性能和疲劳寿命 卜 估算模型 。
注Ｉ 。 卜 反应堆运行期间， 引 由于堆功率的波动及水
冷却介质的流动 ，使包壳结构经受了循环载荷的 作用【 。随着循环次数的增加 ，累积的塑性变 ｌ ’ 形在达到许用应变之前 ， 可能先发生疲劳损伤而
导致包壳结构 的破坏。因此 ，锆合金的循环及疲 劳行为研究对反应堆的设计与安全运行具有重要 意义 。 国内外在研究 Ｚ－ ｒ ４合金应变疲劳行为时多 采用棒材或合金管试样【 ４ ！］ ’ ０对于板材试样 ，特
别是 １ ２ ｍ厚薄片试样 ，由于柔度大 、 ～ｍ 力响应
２ 研究条件
２１ 材料与试样 ． 试样材料 为国产 ｚ．合金 ， ｒ ４ 试样化学成分（ 质
／（ ｂ 低于 ３ ０Ｎ 、 ０ ０ ） 易失稳 ，采用等直试样时不能 实现等幅循环试验控制 ，而采用漏斗型试样完成
料 的单调 拉 伸试 验 ，该 试 样 等直 段 的 宽度 为
８ ｍ，长度为 ３ ｍ ａ ｒ ０ ｍ，两端夹持段结构与漏斗试
等幅应变疲劳有较大难度 ，因此基于锆合金薄片 小试样的应变疲劳研究开展较少。已有工作实现 了薄片漏斗试样细腰两端 的横 向应变测量与循环 控制 ， 但是未正确解决该漏斗试样到等直试样的 局部应变等效换算 。
塑料模具扁钢的断裂性能与疲劳寿命预测
塑料模具扁钢的断裂性能与疲劳寿命预测塑料模具是一种广泛应用于工业生产中的工具，用于塑料制品的成型。
模具的扁钢是模具的一部分，其断裂性能和疲劳寿命直接影响到模具的可靠性和使用寿命。
因此，对塑料模具扁钢的断裂性能与疲劳寿命进行预测和评估是非常重要的。
断裂性能是材料抵抗断裂的能力。
在工程实践中，常用的断裂性能指标有强度、韧度和硬度。
强度是指扁钢在外力作用下抵抗断裂的能力，通常用抗拉强度来表示。
韧度是指材料在受力过程中能够吸收能量的能力，通常用断裂延伸率来表示。
硬度是指材料抵抗塑性形变的能力，通常用洛氏硬度来表示。
这些指标可以通过实验测试获取。
然而，仅使用实验方法来评估断裂性能存在一定的局限性。
首先，实验测试的过程耗时耗力，需要大量的研发时间和资源。
其次，实验结果可能会受到测试设备和测试方法的影响，存在一定的误差。
因此，建立可靠的预测模型来评估塑料模具扁钢的断裂性能是非常必要的。
疲劳寿命是指材料在反复加载下，承受一定载荷次数后出现破坏的能力。
塑料模具扁钢在工作过程中经常受到循环载荷的作用，如冷却水的喷射、塑料材料的冲压等。
这种循环加载容易引发疲劳损伤，影响模具的使用寿命。
因此，对塑料模具扁钢的疲劳寿命进行预测和评估也是非常重要的。
传统方法中，疲劳寿命的预测是通过实验进行的。
但这种方法耗时耗力，不能及时获取结果。
为了提高效率，研究人员尝试采用数值模拟方法来预测扁钢的疲劳寿命。
数值模拟方法可以模拟出材料在循环加载下的变形和应力分布情况，进而推导出疲劳寿命。
这种方法的优点是准确性高、成本低、速度快。
然而，数值模拟方法需要建立准确的材料本构模型，将材料的力学性能描述出来。
此外，数值模拟还需要大量的计算资源和专业知识的支持。
因此，仍然需要进一步研究和改进，以提高预测的准确性和可靠性。
预测塑料模具扁钢的断裂性能与疲劳寿命还可以采用机器学习方法。
机器学习是一种通过训练模型自动学习和判断的方法。
在塑料模具扁钢的预测中，机器学习可以利用大量已有数据进行训练，从而建立一个具有预测能力的模型。
中碳钢疲劳寿命的估算方法研究
1 引言
金属材料或由其加工而成的构件尧 设备在载荷的反复作用下 都会产生疲劳损伤遥 据统计袁约有渊 50~90冤%的机械结构破坏属于疲 劳破坏[1]遥 疲劳尤其是材料的疲劳是 RV 减速器尧轨道交通尧航空尧航 天等工程领域关注的问题袁学者们利用各种方法和试验来确定材料 的疲劳性能[2]遥 疲劳性能的主要衡量指标是疲劳寿命袁即院在某一载 荷下疲劳破坏时的载荷循环次数袁或至断裂的时间[3]遥 19 世纪末到 20 世纪初袁学者们利用金相显微镜袁发现了金属微观破坏分为 3
粤遭泽贼则葬糟贼：Medium -carbon steels occupy superior mechanical property. Fatigue characteristic is one of the key evaluation indexes of mechanical properties袁 and is also the focus and difficulty of the mechanical property study. The traditional estimation method of fatigue life of medium -carbon steel is low accuracy in high cycles. The main reason is that fatigue strength factor is difficult to realize the unified calculation in the whole cycle. Therefore袁 in this issue袁 medium-carbon steel fatigue strength index is investigated袁 and a sectional calculation method of calculate fatigue strength factor in whole cycle is proposed. The fatigue life of 40Cr is estimated by the traditional method and the proposed method. Comparisons are made with the 40Cr fatigue life test data from the reference. The results indicate that the proposed method could improve the prediction accuracy in the high cycle life compared with the traditional fatigue life estimation method. The fatigue life estimation method proposed in the issuer would improve the fatigue life prediction accuracy of metal materials. Key Words院Medium-Carbon Steel曰 Fatigue Crack曰 Fatigue Life曰 Crack Initiation曰 Crack Extension曰 Fatigue Strength Factor
材料力学与疲劳寿命研究
材料力学与疲劳寿命研究材料力学与疲劳寿命研究是材料科学领域中的重要课题之一。
疲劳寿命是指材料在受到交变载荷作用下能够承受的循环次数，也是材料在使用过程中的一个重要指标。
疲劳寿命研究的目的是为了提高材料的使用寿命和安全性能。
在材料力学与疲劳寿命研究中，常常使用的一种方法是应力-应变曲线的测试。
通过施加不同的载荷，可以获得材料在不同应力下的应变变化情况。
这样可以得到应力-应变曲线，从而了解材料在不同应力下的力学性能。
这对于疲劳寿命的研究非常重要。
疲劳寿命的研究需要考虑多种因素，其中之一是材料的微观结构。
材料的微观结构决定了其力学性能和疲劳寿命。
例如，晶体的晶界和位错对材料的疲劳寿命有着重要影响。
晶界是晶体中两个晶粒的交界面，位错是晶体中的缺陷。
晶界和位错会导致材料内部的应力集中，从而降低材料的疲劳寿命。
因此，研究材料的微观结构对于提高材料的疲劳寿命非常重要。
此外，材料的化学成分也会影响其疲劳寿命。
不同的化学成分会导致材料的晶体结构和力学性能的差异。
例如，添加一些合金元素可以提高材料的强度和硬度，从而提高疲劳寿命。
但是，过量的合金元素可能会导致材料的脆性增加，从而降低疲劳寿命。
因此，在材料力学与疲劳寿命研究中，需要对材料的化学成分进行深入的分析。
此外，材料的制备工艺也会影响其疲劳寿命。
不同的制备工艺会导致材料的晶体结构和缺陷分布的差异。
例如，通过控制材料的冷却速度可以改变材料的晶体尺寸和晶界分布，从而影响材料的疲劳寿命。
因此，在材料力学与疲劳寿命研究中，需要对材料的制备工艺进行详细的研究。
总之，材料力学与疲劳寿命研究是一个复杂而重要的课题。
研究材料的力学性能、微观结构、化学成分和制备工艺对于提高材料的疲劳寿命非常重要。
通过深入研究材料的力学性能和疲劳寿命，可以为材料科学的发展和工程实践提供重要的理论依据和技术支持，从而推动材料的创新和应用。
管线用厚钢板的疲劳寿命预测与延长
管线用厚钢板的疲劳寿命预测与延长概述管线是现代城市中不可或缺的基础设施，广泛应用于输送液体和气体的系统中。
而管线的安全性和可靠性对于保障城市运行至关重要。
然而，长期使用和受到外界环境因素的影响，管线会产生疲劳现象，从而对其寿命和使用安全性产生负面影响。
因此，准确预测和有效延长管线用厚钢板的疲劳寿命成为了研究的重点。
1. 疲劳寿命预测方法疲劳寿命预测是通过对管线用厚钢板在疲劳循环载荷下的应变应力响应进行分析，并基于疲劳强度和载荷历程进行计算和预测。
常用的疲劳寿命预测方法包括简化方法、应变本构模型和有限元分析等。
简化方法是一种经验公式，通过考虑工程应力集中系数和疲劳强度参数来进行疲劳寿命评估。
这种方法的优点是计算简单，但是精度有限，对于复杂载荷和材料性能不理想的情况下，不能得到准确的预测结果。
应变本构模型是建立在材料精细本构模型基础上的疲劳寿命预测方法。
通过对材料的弹塑性本构模型进行建模，考虑不同应变幅值下材料的应力应变行为，并通过疲劳试验数据拟合材料的疲劳行为参数，从而进行疲劳寿命预测。
这种方法的优点是能够考虑材料的非线性行为，更加准确地预测疲劳寿命，但是需要大量的试验数据和复杂的模型建立，增加了研究的难度和成本。
有限元分析是一种基于有限元方法的疲劳寿命预测方法。
通过建立管线用厚钢板的有限元模型，考虑材料的弹塑性行为和载荷历程，计算得到应力、应变和位移场分布，并利用材料的疲劳损伤和疲劳寿命模型进行预测。
这种方法的优点是可以考虑复杂的几何形状和载荷条件，模拟真实的应力应变响应，得到准确的预测结果。
然而，有限元分析也需要大量的材料数据和计算资源，增加了研究的工作量和成本。
2. 疲劳寿命延长方法针对管线用厚钢板的疲劳现象，可以采取一系列的方法来延长其疲劳寿命，并提高其使用安全性。
首先，合理的设计和施工是延长疲劳寿命的关键。
在设计阶段，要考虑到管线的工作载荷和环境条件，选择合适的材料和尺寸，避免应力集中和疲劳裂纹的产生。
基于小裂纹理论的铸造钛合金ZTC4疲劳寿命预测
基于小裂纹理论的铸造钛合金ZTC4疲劳寿命预测童第华;吴学仁;刘建中;胡本润;陈勃【摘要】铸造钛合金ZTC4在飞机和航空发动机上应用日益广泛.深入研究ZTC4疲劳全寿命预测方法,旨在为航空构件的损伤容限设计和寿命预测探索新的途径.本文以宏观和微观结合的手段,采用板材试样的高周疲劳试验、中心裂纹试样的长裂纹扩展试验和扫描电子显微镜(SEM)的断口分析等三种试验,研究了ZTC4在室温恒幅载荷条件下的疲劳断口特征和裂纹扩展行为;对引起疲劳失效的主要原因-材料初始缺陷(夹杂或气孔)进行了定量表征;基于Newman裂纹闭合模型建立了ZTC4长裂纹的(da/dN)-△Keff基线数据;通过对平板内埋椭圆裂纹的断裂力学分析,从基于微观结构和断口分析统计确定的初始缺陷尺寸出发,对ZTC4在恒幅载荷条件下两种应力比的疲劳全寿命进行了预测和实验验证,得到了具有较好学术意义和工程应用价值的研究结果.【期刊名称】《材料工程》【年(卷),期】2015(043)006【总页数】6页(P60-65)【关键词】铸造钛合金;小裂纹;疲劳寿命预测;裂纹闭合【作者】童第华;吴学仁;刘建中;胡本润;陈勃【作者单位】北京航空材料研究院,北京100095;北京航空材料研究院,北京100095;北京航空材料研究院,北京100095;北京航空材料研究院,北京100095;北京航空材料研究院,北京100095【正文语种】中文【中图分类】O346.2ZTC4作为一种优质的铸造钛合金具有良好的抗蚀性、高的强度重量比、优良的疲劳抗力以及断裂韧性,在飞机机身结构和航空发动机上都得到了广泛的应用，吸引了研究者的关注[1]。
航空工程结构中，疲劳断裂问题是无法忽视的重要问题。
铸造件中不可避免地存在着夹杂、疏松、气孔等初始缺陷，容易成为构件疲劳破坏的源头。
为保证ZTC4及同类铸造构件确定服役期限及保证服役期间使用安全等需求，需要对ZTC4的疲劳寿命做出预测。
因此本文对ZTC4铸件进行了不同应力比的疲劳实验，利用扫描电镜对试样断口和疲劳源位置的分析观察，发现试样的裂纹源大多都位于边缘部位的夹杂、疏松等初始缺陷处。
薄片漏斗试样的应变等效换算与Zr_4合金疲劳寿命估算
直试样的局部应变换算的等效公式 , 已有工作并未考 虑试样几何效应和泊松效应 , 且局部应变等效方法尚 存在局限性 。本文通过 EPFEA (弹塑性有限元分析 ) , 通过大量数据的规律分析 , 得到了一套考虑几何效应 和泊松效应的应变转换统一模型 。基于疲劳试验数 据、 疲劳等效假设 , 得到了 Zr2 4 合金疲劳寿命估算模 型。
( 3)
其中 , 横向名义应变 ε ′=ΔB /B , B 和 ΔB 分别为漏斗 w ε 试样细腰部宽度和总横向变形 。ε ′ ～ w l 关系式 ( 3 ) 至 今并无现成公式 , 本文考虑采用 EPFEA (弹塑性有限 元分析 )方法来研究确立 。 212 试样几何设计 薄片漏斗试样的几何构型已如图 1 所示 , 当 R /B 变化时 (为消除 R、 B 同时变化对分析带来的不便 , 取 B 恒为 8 mm ) , 可得到一系列薄片漏斗试样 。试样夹 持端和总长度尺寸可根据不同试验目的设计 。 213 EPFEA 方法 应用 ANSYS910 软 件 , 以 R /B = 1 为 例 , 采 用 Plane182 号单元建立漏斗试样的有限元网格模型 (如 图 2 所示 ) 。单元选项为有厚度的平面应力问题 , 材 料选用的是 M ISSES 等向强化模型 , 并且采用多线性 材料本构关系 。模型左侧采用全约束 、 右侧施加分布 线载荷 。采用便于大量数据处理 、 高计算分析效率的 ε APDL 进行参数化建模 。 w′ 取为漏斗试样圆弧细腰根 部两侧边界节点横向位移绝对值之和除以细腰部宽 度 。对模型施加不同的载荷 , 求解后可以视规律情况 ε 建立相应的 ε ′ ～ 关系 。 w l′
(Departm ent of App lied M echanics and Engineering, Southwest J iaotong University, Chengdu 610031, China ) Abstract: A series of strain fatigue tests on s mall slice specim ens w ith 113 mm thickness of Zr2 4 alloy were conducted. Fatigue damage equivalent method based on the local damage equivalent assump tions betw een a thin Bugle 2 L ike specim en and a straight specim en was p resented. B ased on the elastic 2 p lastic finite element analysis, the equivalent conversion model of the Zr2 4 alloy thin speci m en from transversal strain to uniaxial strain was established. The model considers the geometrical effect and Poisson effect . W ith the results of the test, M anson 2 Coffin (M 2 C ) model for Zr2 4 alloy strain fatigue life p rediction was p resented. Research show s that, thin bulge 2like specim en based on the equivalent conversion model can be effectively app lied to low cycle fatigue tests of the thin sheet m etals and their life estim ation. GB recommended strain conversion for m ula which is app lied to fatigue life p rediction of thin bulge 2like specim ens of Zr2 4 alloy would bring great security . Key words: Zr2 4 alloy; p lasticity; Model; strain fatigue; finite elem ent analysis; life estim ation CLC num ber: V216. 3 D ocum en t code: A Article I D : 1006 - 7167 ( 2007 ) 11 - 0180 - 05
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等效换算， 但这种传统方法有时会带来较大误差， 因 此对漏斗形试样进行精确的弹塑性分析有利于给出 恰当的应变等效换算方法， 以提高寿命估算精度; @A! ’ 合金因具有优异的耐高温水腐蚀和耐辐射 性能而用作核燃料包壳材料; 由于燃料包壳的薄壁 特性、 材料的昂贵性，以及出于研究材料工艺 （如
万方数据
89
西. 安. 交. 通. 大. 学. 学. 报. . . . . . . . . . . . . . . . . . 第 %9 卷.
热处理、 渗氢处理、 辐射处理） 对材料性能影响的迫 切需要，开展基于薄片小试样的应变疲劳试验与寿 命估算对核电工程安全控制具有重要意义! 国内外 $ 合金应变疲劳研究所采用的试样类型多集 对 "# ! 中于棒材或合金管试样
［ %， $］
绝对误差小于 4! 44%1 ! 疲劳加载速率 （ 轴向应变 G I） 为 4! 44( G I! 采用载荷下降 &,1 作为试样失效的 判据! 采 用 有 限 元 分 析 软 件 =/5! ;<J#<0 和 =/5! +<IJ#<0 对试样进行非线性弹塑性分析! !# $" %&! ’ 合金的基本性能与本构模型 对于幂率材料， K<)>3#LM6ILNNO 本构模型可以 很好描述材料的单调拉伸应力M应变关系 （ ! " !4 ） （&） " " "4 # ! " "4 $ # 式中： 流动应力 "、 ! 近似取为工程应变和工程应力； （ ! > P !4 & ( ） " (， !4 7 ! > 为抗拉强度， !4& ( 为工程屈服 应力； 流动应变 "4 7 !4 " ! ， ! 为材料的弹性模量； % 和 # 分别为强化指数和强化系数& 根据 "# ! $ 合金等 直薄片试样的单拉曲线， 得到 !4 为 $4$ =;<， "4 为 4D 44$ &$ ， % 为 && & -4 ， # 为 (D 8&9 & 对于薄片漏斗试样横向应变向等直试样轴向应 变的等效换算， 等直横向弹性模量 ! Q 和漏斗试样 横向弹性模量 ! ’Q 是一对重要的材料特性 （ 上标 “ ’” 表示与漏斗试样相关的属性） & 横向弹性模量测试 方法是， 对等直和漏斗薄片试样， 在弹性范围内连续
［ ’］
取为漏斗试样圆弧细腰部两侧边界节点的横向位移 均值之和除以试样细腰部宽度% 将有限元分析计算 （(） 可得到 $% 结果 ! (. 和 ! . 代入式 图 1 给出了有限元分析方法得到的 $ ! !+ 和 $- ! 当材料处于弹性受载状态时， 形状因 ! 关系% 可见， 子近似为常数， 即 $ - $ , -0 % 7(’ ； 当轴向应变超过 0< 00’ & 时， 材料已进入弹塑性状态， 此时 $ ! ! + 表现
［ ,， -］
采用薄片漏斗试样解
决了细腰部横向应变循环的控制， 但是薄片漏斗试 样到等直试样的局部应变等效问题尚未获得解决， 如沿用传统等效公式对疲劳寿命进行估算将有较大 偏差! 本文完成了 &! % )) 厚 "#! $ 合金的应变疲劳试 $ 合金漏斗形薄片小试样的局部应 验， 并提出了 "#! 变等效方法， 给出了薄片 "# ! $ 材料的等幅应变疲劳 寿命估算模型!
&. 研究条件与试验结果
! ! !" 试验材料、 试样、 设备、 有限元软件 试验材料为国产 "# ! $ 合金， 试样化学成分 （质 万方数据 /0 &! ,1 ， 23 4! (1 ， 5# 4! &1 ， 6 量分 数 ）为： 4! &1 ，"# （ 余量） ! 材料的机械性能为： ! 7 89 :;<， $ 合金薄片的厚度 !4! ( 7 %$& =;<，! > 7 $-, =;<! "#! 为 &! %% ))， 薄片漏斗试样的中部漏斗圆弧半径为 9 ))， 圆弧细腰部截面宽度为 9 )) （ 见图 & ） ! 薄片 等直段长度为 %4 ))! 试样先 等直试样宽为 9 ))， 进行酸洗 （ 酸液中 ?2、 ?+6% 和 ?( 6 的体积比为 &4 @ $,@ $, ） ， 然后进行固溶处理， 其方式为： & 4,4 A 下保温 &4 )B0， 空冷， 再在 C,4 A 下保温 &D , E， 空 冷， 最后再酸洗一次， 去除试样表面产生的氧化膜! 为消除薄板边缘几何不连续产生的附加应力集中， 对试样圆弧部分进行了倒角和抛光处理! 试验设备为 =F/948 G (,*+ (44 +・) 拉扭试验 机! 单拉性能试验采用 =F/-%(! &&H! 4( 轴向引伸计， 疲劳试验采用 =F/-%(! -&H ! 4( 径向引伸计! 引伸计 和载荷传感器的精度为 4! , 级! 试验采用横向应变 幅控制， 循环控制波形为三角波， 应变幅控制的
和 ( ’ 分别为等直试样宽度和漏斗试样圆弧细腰部
’ ’ 宽度） ， !! "Q 和 ! ! " Q 试验关系的线性回归线斜率
即作为横向弹性模量 ! Q 和 ! ’Q & 试验得到的 ! Q 和 ! ’Q 分别为 (9$ :;< 和 $-9 :;<& ! & (" 常温疲劳试验结果 在常温下完成了 && 个漏斗试样横向应变控制 的等幅应变疲劳寿命试验& 漏斗薄片试样的弹塑性 横向应变幅 "" ’Q " ( 与倍寿命 ( ) R 之间关系的 % 条试 验曲线由图 ( 给出&
%; ,=PG9>=: ZNY .=[9A=P9AY F9A ,VS:N=A /VN: =>R B=PNAG=:，,VS:N=A \9WNA 1>EPGPVPN 9F CTG>=，CTN>URV ?$&&’$ ，CTG>=）
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; 由于构件试验困难， 通常采用等直试
样疲劳试验来模拟结构疲劳， 进而通过对结构变形 进行精确的弹塑性分析实现等直试样 ! 结构之间的 等效疲劳分析; 当等直试样不能满足试验控制时， 采 用漏斗试样进行试验是较好的选择; 国标推荐采用
收稿日期：%&&! ! &? ! $?; # 作者简介：蔡力勋 （ $KJK H ） ， 男， 教授; # 基金项目：四川省应用基础研究 基 金 资 助 项 目 （ &%48&%K ! &%" ） ；核燃料与材料国家重点实验室基金资助项目 （ J$’"$&%&%&!@7"J&$ ） ;