(19)國家知識產(chǎn)權(quán)局(12)發(fā)明專利號王赟朱東霞吳海英任明明韓聰魏延旭任嘉怡閆錦鋒.金屬玻璃變形與疲勞的數(shù)值模擬研所(普通合伙)11912否本發(fā)明公開了一種考慮加工表面完整性的始的微裂紋擴(kuò)展系數(shù)與臨界微裂紋擴(kuò)展閾值的數(shù)量關(guān)系；S4,獲得Gibbs能量模型中的固定系裂紋擴(kuò)展系數(shù)和裂紋擴(kuò)展指數(shù)；S7,獲得修訂的該方法可以有效地提高低合金鋼旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞21.一種考慮加工表面完整性的合金鋼旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞壽命預(yù)測方法，其特征在于：包括以下步驟，S1:通過試驗(yàn)測量或計(jì)算獲得表面層特征參數(shù)，所述表面層特征參數(shù)包括表面輪廓算尺寸G(h);S2:基于微裂紋擴(kuò)展理論，計(jì)算獲得初始的微裂紋擴(kuò)展系數(shù)△Ksu,mx和臨界微裂紋擴(kuò)展否則執(zhí)行S6;S4:通過微柱壓縮試驗(yàn)，獲得Gibbs能量模型中的固定系數(shù)；S5:將S1中的表面輪廓算數(shù)平均偏差Ra、顯微硬度HV和晶粒尺寸G(h)帶入Gibbs能量模型中，同時(shí)輸入S4中獲得的固定系數(shù)，獲得修訂的裂紋萌生壽命預(yù)測模型；S6:通過疲勞擴(kuò)展試驗(yàn)，獲得Paris公式中的裂紋擴(kuò)展系數(shù)C和裂紋擴(kuò)展指數(shù)m;S7:將S1中獲得的表面軸向殘余應(yīng)力ores帶入Paris公式中，同時(shí)輸入材料參數(shù)，獲得修訂的裂紋擴(kuò)展壽命預(yù)測模型；S8:結(jié)合S5中獲得的裂紋萌生壽命預(yù)測模型和S7中獲得的裂紋擴(kuò)展壽命預(yù)測模型，建立考慮加工表面完整性的低合金鋼旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞壽命預(yù)測模型。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的考慮加工表面完整性的合金鋼旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞壽命預(yù)測方法，S11:測量表面輪廓算數(shù)平均偏差R、輪廓微觀不平度的平均間距Rsm,計(jì)算表面形貌特S12:計(jì)算晶粒尺寸G(h)為：其中，h?為表面軸向殘余應(yīng)力開始轉(zhuǎn)化時(shí)的層深；h為距離表面軸向殘余應(yīng)力開始轉(zhuǎn)化處的距離；f(h)為考慮不同深度處的表面軸向殘余應(yīng)力對疲勞壽命的權(quán)重函數(shù)；g(h)為表面軸向殘余應(yīng)力隨h變化的擬合函數(shù)；S13:測量表面的顯微硬度HV,測量表面軸向殘余應(yīng)力ores°3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的考慮加工表面完整性的合金鋼旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞壽命預(yù)測方法，S21:利用表面形貌特征參數(shù)√areacrack和表面軸向殘余應(yīng)力oe計(jì)算微裂紋擴(kuò)展因子Ksur;maz=0.65(omaz+0res)π√/a3S23:利用顯微硬度HV計(jì)算臨界微裂紋擴(kuò)展閾值△Kth,計(jì)算公式為：△Kth=3.3×10-3(HV+120)(√areath)1/3,其中，√areath為臨界裂紋擴(kuò)展尺寸，通過升降法疲勞試驗(yàn)獲得，1×10?周次時(shí)對應(yīng)的裂紋尺寸。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的考慮加工表面完整性的合金鋼旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞壽命預(yù)測方法，考慮表面層特征參數(shù)的疲勞裂紋萌生模型：5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的考慮加工表面完整性的合金鋼旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞壽命預(yù)測方法，步驟S7具體為：獲得；1?為初始裂紋長度；1t為發(fā)生瞬斷時(shí)的裂紋6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的考慮加工表面完整性的合金鋼旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞壽命預(yù)測方法，考慮表面層特征參數(shù)的疲勞壽命預(yù)測模型為：4考慮加工表面完整性的合金鋼旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞壽命預(yù)測方法背景技術(shù)航空航天和兵器等大型機(jī)械結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞壽命提出更高的要求，一旦發(fā)生[0004]本發(fā)明目的是提供一種考慮加工表面完整性的合金鋼旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞壽命預(yù)測方[0007]S1:通過試驗(yàn)測量或計(jì)算獲得表面層特征參數(shù)，所述表面層特征參數(shù)包括表面輪[0014]S8:結(jié)合S5中獲得的裂紋萌生壽命預(yù)測模型和S7中獲得的裂紋擴(kuò)展壽命預(yù)測模5[0016]S11:測量表面輪廓算數(shù)平均偏差Ra、輪廓微觀不平度的平均間距Rs,計(jì)算表面形[0020]其中，h?為表面軸向殘余應(yīng)力開始轉(zhuǎn)化時(shí)的層深；h為距離表面軸向殘余應(yīng)力開始轉(zhuǎn)化處的距離；f(h)為考慮不同深度處的表面軸向殘余應(yīng)力對疲勞壽命的權(quán)重函數(shù)；g(h)為表面軸向殘余應(yīng)力隨h變化的擬合函數(shù)；[0023]S21:利用表面形貌特征參數(shù)√areacrack和表面軸向殘余應(yīng)力ore計(jì)算微裂紋擴(kuò)[0026]S22:由旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)，應(yīng)力比為R=-1,可得到微裂紋擴(kuò)展系數(shù)△Ksur,max=[0027]S23:利用顯微硬度HV計(jì)算臨界微裂紋擴(kuò)展閾值△Kh,計(jì)算公式為：應(yīng)的裂紋尺寸。[0031]考慮表面層特征參數(shù)的疲勞裂紋萌生模型：6展試驗(yàn)獲得；1?為初始裂紋長度；1t為發(fā)生瞬斷時(shí)的裂紋擴(kuò)展極限尺寸。[0040]考慮表面層特征參數(shù)的疲勞壽命預(yù)測模型為：[0043]本發(fā)明中，通過將影響低合金鋼旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞性能的表面層晶粒、顯微硬度、表面軸向殘余應(yīng)力和表面形貌特征參數(shù)聯(lián)系在一起，建立表面完整性與疲勞壽命相對應(yīng)的映射關(guān)系，進(jìn)而更好地從疲勞性能的角度了解疲勞壽命與零件表面完整性的緊密聯(lián)系。同時(shí)，能夠更準(zhǔn)確地研究不同工藝條件下形成的零件表面完整性對疲勞性能的影響機(jī)制和規(guī)律，也為評價(jià)低合金鋼加工表面完整性對旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞壽命影響程度提供一個(gè)準(zhǔn)確的量化指標(biāo)。[0044]利用表面完整性指標(biāo)參數(shù)進(jìn)行疲勞壽命預(yù)測可以避免因表面特征不確定性而引起的誤差，提高了預(yù)測的穩(wěn)定性和精度，可以更加方便、迅速地進(jìn)行低合金鋼旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞壽命預(yù)測。附圖說明[0045]圖1為本發(fā)明預(yù)測方法流程圖；[0046]圖2為本發(fā)明疲勞試驗(yàn)所用到的試樣示意圖；[0047]圖3為本發(fā)明改變試樣表面特征參數(shù)的激光沖擊強(qiáng)化示意圖；[0048]圖4為本發(fā)明對應(yīng)于一種32CrNi低合金鋼材料低合金鋼旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞壽命的預(yù)測結(jié)果、修訂前模型預(yù)測結(jié)果和試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對比圖；具體實(shí)施方式[0050]如圖1-圖4所示的一種考慮加工表面完整性的合金鋼旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞壽命預(yù)測方[0051]S1:通過試驗(yàn)測量或計(jì)算獲得表面層特征參數(shù)，所述表面層特征參數(shù)包括表面輪晶粒尺寸G(h);[0052]S2:基于微裂紋擴(kuò)展理論，計(jì)算獲得初始的微裂紋擴(kuò)展系數(shù)△Ksur,max和臨界微裂紋擴(kuò)展閾值△Kth;行S4,否則執(zhí)行S6;[0054]S4:通過微柱壓縮試驗(yàn)，獲得Gibbs能量模型中的固定系數(shù)；[0055]S5:將S1中的表面輪廓算數(shù)平均偏差R、顯微硬度HV和晶粒尺寸G(h)帶入能量模型中，同時(shí)輸入S4中獲得的固定系數(shù)，獲得修訂的裂紋萌生壽命預(yù)測模型；[0056]S6:通過疲勞擴(kuò)展試驗(yàn)，獲得Paris公式中的裂紋擴(kuò)展系數(shù)C和裂紋擴(kuò)展指數(shù)m;[0057]S7:將S1中獲得的表面軸向殘余應(yīng)力ore帶入Paris公式中，同時(shí)輸入材料參數(shù)，獲得修訂的裂紋擴(kuò)展壽命預(yù)測模型；7[0058]S8:結(jié)合S5中獲得的裂紋萌生壽命預(yù)測模型和S7中獲得的裂紋擴(kuò)展壽命預(yù)測模轉(zhuǎn)化處的距離；f(h)為考慮不同深度處的表面軸向殘余應(yīng)力對疲勞壽命的權(quán)重函數(shù)；g(h)為表面軸向殘余應(yīng)力隨h變化的擬合函數(shù)；[0067]S21:利用表面形貌特征參數(shù)√areCcrack和表面軸向殘余應(yīng)力o計(jì)算微裂紋擴(kuò)[0070]S22:由旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)，應(yīng)力比為R=-1,可得到微裂紋擴(kuò)展系數(shù)△Ksur,max=應(yīng)的裂紋尺寸。8[0088]下面以32CrNi低合金鋼材料為例，抗拉強(qiáng)度σ?為1200MPa,屈服強(qiáng)度σ?.2為1143MPa,疲勞試驗(yàn)所用到的試樣尺寸如圖2所示，通過激光沖擊強(qiáng)化改變試樣的表面層特頻率為100Hz,旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞，應(yīng)力比為-1,最大表面應(yīng)力載荷omx為800MPa,詳細(xì)介紹本發(fā)[0089]S1:首先對疲勞試樣進(jìn)行不同能量值的激光沖擊強(qiáng)化處理，以激光沖擊強(qiáng)化工藝面輪廓算數(shù)平均偏差R和輪廓微觀不平度的平均間距R,運(yùn)用S11中的公式獲得表面形貌特征參數(shù)√areacrack;通過顯微硬度儀獲得顯微硬度HV;通過X射線表面軸向殘余應(yīng)力儀 生壽命預(yù)測壽命為7×10?周次。[0094]S6:通過疲勞擴(kuò)展試驗(yàn)，獲得Paris公式中的發(fā)生[0095]S7:將外部施加的旋轉(zhuǎn)彎曲-疲勞試驗(yàn)時(shí)表面的最大應(yīng)力值omaxS1獲得的表面軸向殘余應(yīng)力oresS6獲得的發(fā)生瞬斷時(shí)裂紋擴(kuò)展極限尺寸1、裂紋擴(kuò)展系數(shù)C和裂紋擴(kuò)展指[0096]S8:結(jié)合S5獲得的裂紋萌生壽命預(yù)測模型和S7獲得的裂紋擴(kuò)展壽命預(yù)測模型可得9到考慮加工表面完整性的32CrNi低合金鋼旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞壽命預(yù)測模型。[0097]圖4給出了32CrNi低合金鋼修訂前模型和修訂后模型對旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞壽命預(yù)測結(jié)果與疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)的預(yù)測精度示意圖，從圖中可以看出，采用本發(fā)明實(shí)施例的考慮加工表面完整性的低合金鋼旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞壽命預(yù)測方法具有9%的平均預(yù)測誤差，遠(yuǎn)大于修訂前模型的32%預(yù)測誤差，由此可知，本發(fā)明的方法可以準(zhǔn)確地預(yù)測低合金材料的旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞壽[0098]低合金鋼的拉伸扭轉(zhuǎn)疲勞壽命預(yù)測與旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞壽命預(yù)測方法類似。拉伸扭轉(zhuǎn)