基于疲劳热响应的高强钢疲劳剩余寿命预测　封硕等：

［１５］

称为“激励载荷”的机械载荷，并在激励加载过

３５１０　

［５］

也证明了该现象。他们用锻造过的ｅｎｄｏｒｆ等１

钛合金制成的狗骨状试件做了一系列的疲劳试

程中测定温升率，从而确定累计受载周次和受激，温升斜率的关系以构建“参考斜率曲面系”进而估算试件剩余寿命。结果表明由激励载荷诱发的温升斜率能够用来量化先前的疲劳损伤。

验，结果显示随着周次数的积累，温度的斜率会有一个渐变。而且，ｎｄｏｒｆ等假设单位周次的Ｍｅｅｙ／温度变化ΔＴＮ能够与加载应力幅值σａ建立关

系，即

ｍ

／（）ＴＮ＝Ｆ２σΔａ

式中：ｍ为试验确定的材料常数；Ｆ为一个函数，

１　理论原理

疲劳过程伴随有滞回生热，其中大部分会以试件温度的上升来体现。试验结果显示当金属进行高应力循环测试时，试验早期阶段的试

１２］

。近来一系列非破坏疲件温度上升十分显著［

它取决于能够在一定层面上描述材料微观结构变即化的量Ｄａ和加载频率ｆ，

劳测试的研究成果显示承受循环载荷的材料劣

］８９－

。Ａｍ化与温度上升有极其密切的关系［ｉｒｉ与［］

／ＴＮＫｈｏｎｓａｒｉ８－９开发了一种以初始温升斜率Δ

／预测疲劳寿命Ｎｆ的方法。Ｎｆ和ΔＴＮ的关系

Ｆ＝Ｆ（Ｄａ，ｆ）

在机械加载过程中，材料的持续劣化导致其微观结构的变化，裂纹成核，直至最终断裂。所以）参考式（可以发现，随着循环周次数累加而发生２的材料内部微结构的变化与每周次温度的变化／在试验最初阶段测得的温升角Ｒ即试件ＴＮ（Δθ，的初始温升斜率）相关联：

ｍ

（）３ＲＦ（Ｎａσｆ）ｃａｃ，θ＝

式中：表明在恒Ｎａ３）ｃ为累积的循环周次数。式（ｃ

定的试验频率和应力幅值下，初始温升斜率与循

（）见图１为

Ｂ

／（）Ｎｆ＝Ａ（ＴＮ）１Δ

式中：Ｔ为温升；Ｎ为循环周次；Ａ和Ｂ为常Δ数，对于两种不同的金属（Ｂ＝１．２２，３０４不锈钢和

试验得到的结果基本上一样。６铝合金）６１６０－Ｔ

不仅如此，Ｂ＝１．２２还适用于一些不同类型的试验，比如扭转、弯曲、以及弯扭结合的疲劳试验。然而，参数Ａ取决于材料和所加载荷。Ａｍｉｒｉ与加载到破坏的循环周Ｋｈｏｎｓａｒｉ８－９的成果显示，

次数与初始温升斜率的关系可以统一表达为一条通用曲线。根据在试验最开始的时候测出的温度）演化初始斜率，式（给出了一个快速有效的疲劳１寿命预测方法。

［

］

环周次Ｎａｃ紧密相关。温升斜率的上升取决于试ｃ验载荷频率。因此，本研究对所有的试验都将频。参数Ｎａ率设定为恒定的２ｚ０Ｈｃｃ本质上是先前试件已经承受的加载周次。那么，应该可以通过

Ｎａｃｃ估计试样经历了多久的疲劳以及试样在发生

失效前还能工作多久。

２　试验材料与试验流程

试验所用材料为３其化学成分和基０Ｍ钢，０本力学与热学性能见表１和表２。σσｂ１～ｂ４分别为４组试件的破坏强度。其几何尺寸如图２所示，通过调整铸造和热处理参数得到不同晶粒度Ｇ。最终所得晶粒度按Ａ９６进行晶粒度ＴＭ　Ｅ１１２Ｓ－评级，并将其归并为４组。１号试件组的热处理流程为：预备热处理９５℃正火＋６８０～７００℃高２温回火和最终热处理８７０℃油淬＋３００℃回火２次，空冷；其晶粒度为７４５。２号试件组的热处理．流程为：预备热处理８０℃油淬＋１５０℃回火和７最终热处理５０℃高温回火＋８３０℃油淬＋２００８空冷；其晶粒度为６℃回火，６８。３号试件组的热．

其晶粒度处理流程为：０℃油淬＋２００℃回火；８４为５４７。４号试件组的热处理流程为：０℃油．８７淬＋１其晶粒度为３５０℃回火；５９。．

图１　疲劳温度演化图

１　ＥｖｏｌｕｔｉｏｎｏｆｔｅｍｅｒａｔｕｒｅｄｕｒｉｎｆａｔｉｕｅｒｏｃｅｓｓＦｉ．　　　　ｐｇｇｐｇ　

）式（适用于没有任何损伤（疲劳受载历史）１的新试件的疲劳测试。然而，如果在试验前试验件已经经历过其他的疲劳加载，那么，由于微观结，构的变化（特别是局部出现的不可忽略损伤）它

１６］

。Ｍ的疲劳热响应应该不同于一个新试件［ｅ－ｙ