航　空　学　报ＡｃｔａＡｅｒｏｎａｕｔｉｃａｅｔＡｓｔｒｏｎａｕｔｉｃａＳｉｎｉｃａ　　　　　：ｔ／／ｈｋｘｂ．ｂｕａａ．ｅｄｕ．ｃｎｋｘｂｕａａ．ｅｄｕ．ｃｎｈｔ　ｈ＠ｂｐ：／ｄｏｉ１０．７５２７Ｓ１０００９３．２０１３．０３６６６８－

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基于疲劳热响应的高强钢疲劳剩余寿命预测

封硕１，王仲奇１，＊，陈维维１，乔松松２，薛红前１

１．西北工业大学机电学院，陕西西安　７００７２１

００２８２．中航空天发动机研究院有限公司，北京　１０

尤其是估算承受过未知周次循环载荷（已受损）的摘　要：为了在不破坏材料的情况下估算服役结构材料的使用寿命，

材料剩余疲劳寿命，提出一种预测高强钢试件剩余疲劳寿命的方法。以３在不同的循环应力水平下００Ｍ钢为研究对象，进行疲劳试验，所有的试验过程使用红外成像仪对试件进行全程温度监控，记录了试件在不同损伤阶段的受激温升斜率，以构造包含金属疲劳热响应和疲劳寿命对应关系的“参考斜率曲面系”并以此为依据估算剩余疲劳寿命。试验结果表明受激温升斜率与疲劳损伤状况，即试件的累计受载周次存在明显的线性关系。经试验验证，发现剩余寿命预测的误差不超过５％，说明该线性关系可作为估算剩余疲劳寿命的指标。关键词：晶粒度；红外热成像；疲劳测试；无损检测；激励载荷

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（）中图分类号：Ｖ８０８５０．２；Ｖ２１５．５００９３２０１４０４３４１０２４　　　文献标识码：Ａ　　　文章编号：６１０－－－

　　在设计阶段就确定某种零件的疲劳寿命是非

常困难的。事实上，预测某零件的剩余疲劳寿命更为不易。为了避免零件失效，采用非破坏方式对零件的剩余疲劳寿命进行估算具有很大的工程应用价值。如果可以建立确定材料疲劳损伤程度和估算材料剩余疲劳寿命的可靠方法，则可大幅节省测试所需的材料和时间。这也为进一步推算其他材料性能找到新的出发点。

本文探究了使用非接触式红外热成像技术对高强钢疲劳寿命进行预测的方法。近年来，基于检测金属和复合材料热行为来描述疲劳性能和材料本身特性的成果不断涌现，一些新颖的技术手段能够由循环载荷生热造成的温度演化来评定疲

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，劳的各个方面。这包括检测疲劳裂纹的扩展［

５］

，确评估疲劳裂纹每扩展单位面积所要的能量［］７６－

（该方面的成果主要基定某些材料的耐久极限［

于疲劳过程中的不同温度演化阶段的研究，即初

］８１９０］－

、和最终破坏前温度平稳阶段［始温升阶段［

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），以及刻画疲劳过程中的累的急速上升阶段［

］１４１１－

。需要指出的是，积损伤演化等［这些成果所

使用的试验件都完好未受损，在试验前没有任何受载经历。那么，用这些方法对一个有受载经历的试件进行剩余疲劳寿命预测，得到的结果很可能是非常不准确的。此外，高强钢在实际应用时会因热处理参数不同而造成晶粒大小的不同，进而导致机械性能不同。故对不同晶粒度高强钢进行寿命预测时还需要区别对待。

针对上述问题，本文以航空用材３０Ｍ钢为０对象展开试验，探讨温度响应与循环加载历史的相关性，并基于这种相关性给出一种疲劳剩余寿命预测方法。该方法需要在不同的累计周次下暂停疲劳加载，待试件冷却后短时间内加载一个被

；退修日期：；录用日期：；网络出版时间：：收稿日期：０７０５０８０３０８１５０８２７１１３１３１３１３００３２０２０２０２０－－－－－－－－　

／／／网络出版地址：ｗ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔｋｃｍｓｄｅｔａｉｌ１１．１９２９．Ｖ．２０１３０８２７．１００３．００２．ｈｔｍｌｗｗ

）基金项目：国家自然科学基金（５０７７５１８２：：８８４９３９６２６０ａｅｌ．０２９６ｉｌｗａｎｚｈｉｗｕ．ｅｄｕ．ｃｎＴ－－－ｍ　Ｅ＠ｎｇｑｐ＊通讯作者．

引用格式：ｅｎｎｅｎ　．Ｒｅｍａｉｎｉｎｔｉｕｅｆｅ　ｄｉｃｔｉｏｎｒｅｎｔｈｅｅｌｓｅｄ　ｅｒｍａｌｓｏｎｓｅ　ｔｉｕｅＦｅＳ，ＷａＺ　Ｑ，ＣｈＷ　Ｗ，ｅｔａｌｆａｌｉｏｆｈｉｈｓｓｔｂａｏｎｔｈｒｅｏｆｆａｒ　　　　－ｔ　　　　　ｇ　ｇ　ｇｇｇｐｇｇｐ　

［］，，（）：，，，封硕王仲奇陈维维等基于疲劳热响应的高强钢Ｊ．Ａｃｔａ　ｒｏｎａｕｔｉｃａ　ｔｒｏｎａｕｔｉｃａ　ｎｉｃａ２０１４３５４１０３４１４１．．ＡｅｅｔＡｓＳｉ　－０

：］疲劳剩余寿命预测［１４，３５（４）１０３４１４１．Ｊ．航空学报，２０－０