一種基于損傷演化的腐蝕疲勞壽命預(yù)測(cè)方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于金屬材料腐蝕領(lǐng)域，具體地，涉及一種基于損傷演化的腐蝕疲勞壽命預(yù)測(cè)方法?；趽p傷演化的腐蝕疲勞壽命預(yù)測(cè)方法包括以下步驟：進(jìn)行待測(cè)材料應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)，確定應(yīng)力腐蝕門檻值應(yīng)力與損傷指數(shù)；進(jìn)行待測(cè)材料疲勞試驗(yàn)，確定疲勞損傷參數(shù)；確定待測(cè)材料腐蝕疲勞損傷非線性演化指數(shù)；待測(cè)材料腐蝕疲勞壽命預(yù)測(cè)。本發(fā)明的腐蝕溶液循環(huán)裝置，實(shí)現(xiàn)金屬材料腐蝕疲勞與應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)腐蝕液的循環(huán)更新；采用理論與試驗(yàn)研究相結(jié)合的方法預(yù)測(cè)腐蝕疲勞壽命，能夠克服解析法與試驗(yàn)法的不足；預(yù)測(cè)方法合理，結(jié)果準(zhǔn)確，預(yù)測(cè)結(jié)果不受材料-環(huán)境組合的影響；實(shí)施方案操作簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)；預(yù)測(cè)方法推廣性強(qiáng)，便于工程應(yīng)用。
【專利說(shuō)明】一種基于損傷演化的腐蝕疲勞壽命預(yù)測(cè)方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于金屬材料腐蝕領(lǐng)域，具體地，涉及一種基于損傷演化的腐蝕疲勞壽命 預(yù)測(cè)方法，用于海洋工程、航空航天等所用金屬材料腐蝕疲勞壽命的預(yù)測(cè)。

【背景技術(shù)】
[0002] 工程中存在各種承受循環(huán)載荷的結(jié)構(gòu)，如海洋工程結(jié)構(gòu)、飛機(jī)等，其服役環(huán)境都具 有不同程度的腐蝕性。腐蝕性環(huán)境會(huì)降低材料的斷裂韌性，加快裂紋的萌生與擴(kuò)展，降低結(jié) 構(gòu)服役壽命。腐蝕疲勞已成為工程中各種承受循環(huán)載荷結(jié)構(gòu)面臨的嚴(yán)重問題，腐蝕疲勞性 能研究、腐蝕疲勞壽命預(yù)測(cè)已成為工程結(jié)構(gòu)耐久性與完整性設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。但由于腐蝕 疲勞機(jī)理非常復(fù)雜，腐蝕疲勞試驗(yàn)手段發(fā)展滯后，結(jié)構(gòu)腐蝕疲勞壽命預(yù)測(cè)難題一直不能很 好解決。隨著航空航天、海洋工程的飛速發(fā)展，結(jié)構(gòu)腐蝕疲勞問題將更為突出，現(xiàn)有研究成 果遠(yuǎn)不能滿足實(shí)際工程應(yīng)用的需要。
[0003] 目前金屬材料的腐蝕疲勞壽命預(yù)測(cè)方法，主要包括以下幾種：
[0004] (1)、解析法
[0005] 解析法是腐蝕疲勞壽命預(yù)測(cè)最常用的方法。解析法將腐蝕疲勞壽命分為裂紋成核 和裂紋擴(kuò)展階段，其中裂紋成核壽命采用損傷力學(xué)方法，裂紋擴(kuò)展壽命基本沿用環(huán)境修正 的Paris公式進(jìn)行預(yù)測(cè)。不足之處就是運(yùn)用解析法時(shí)，必須獲取不同腐蝕環(huán)境下金屬材料 的腐蝕速率及裂紋擴(kuò)展速率的環(huán)境參數(shù)，同時(shí)裂紋成核長(zhǎng)度及裂紋擴(kuò)展壽命裂紋長(zhǎng)度積分 上限的不確定也限制了該方法的應(yīng)用。
[0006] (2)、能量法
[0007] 能量法用能量角度來(lái)研究腐蝕疲勞壽命，認(rèn)為材料腐蝕疲勞失效是一個(gè)能量耗 散的過(guò)程。當(dāng)經(jīng)歷一定周次的應(yīng)力作用，材料發(fā)生疲勞裂紋其本質(zhì)是材料晶體間鍵的破壞 的宏觀表現(xiàn)，而鍵的破壞又伴隨著能量的釋放，在斷裂力學(xué)上可歸結(jié)為熱激活斷裂理論。 能量法是通過(guò)微觀的研究來(lái)表達(dá)宏觀的現(xiàn)象，此方法可以說(shuō)是精度比較高的估算腐蝕疲 勞壽命的方法，但礙于目前人們對(duì)能量法的研究不夠深入，加之在用能量法求解時(shí)各物理 量很難測(cè)量，因此推廣性較差。
[0008] (3)、試驗(yàn)法
[0009] 試驗(yàn)法指針對(duì)具體問題，利用實(shí)驗(yàn)室條件或者根據(jù)實(shí)際情況事先對(duì)工程材料進(jìn) 行試驗(yàn)分析，得出一系列的實(shí)驗(yàn)分散數(shù)據(jù)點(diǎn)，最后通過(guò)曲線擬合得出材料的近似壽命曲 線，或者就是通過(guò)疲勞實(shí)驗(yàn)機(jī)，直接獲取疲勞壽命。試驗(yàn)法可以說(shuō)是針對(duì)某一具體情況求 解材料腐蝕疲勞壽命最好的方法，但是往往受試驗(yàn)條件或特殊要求的限制，有可能做出來(lái) 的結(jié)果與事實(shí)有較大偏差。
[0010] 除此之外，材料腐蝕疲勞壽命預(yù)測(cè)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法、概率法等等，這些方法基本上 可以說(shuō)是以解析法為基礎(chǔ)的參數(shù)分析方法，本質(zhì)上沒有克服解析法的不足，同時(shí)這些方法 需要試驗(yàn)樣本較多，給工程應(yīng)用帶來(lái)不便。


【發(fā)明內(nèi)容】
toon] 為克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明提供一種基于損傷演化的腐蝕疲勞壽命預(yù)測(cè)工程 方法，該方法以試驗(yàn)研究為基礎(chǔ)，建立腐蝕疲勞損傷演化律，預(yù)測(cè)方法簡(jiǎn)單，能夠綜合考慮 腐蝕環(huán)境、交變載荷參數(shù)等對(duì)材料腐蝕疲勞壽命的影響，彌補(bǔ)了現(xiàn)有方法的不足。
[0012] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
[0013] 基于損傷演化的腐蝕疲勞壽命預(yù)測(cè)方法，包括以下步驟：
[0014] 步驟一、進(jìn)行待測(cè)材料應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)，確定應(yīng)力腐蝕門檻值應(yīng)力與損傷指數(shù)；
[0015] 步驟二，進(jìn)行待測(cè)材料疲勞試驗(yàn)，確定疲勞損傷參數(shù)；
[0016] 步驟三，確定待測(cè)材料腐蝕疲勞損傷非線性演化指數(shù)；
[0017] 步驟四，待測(cè)材料腐蝕疲勞壽命預(yù)測(cè)。
[0018] 相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有如下的有益效果：本發(fā)明設(shè)計(jì)一套高效適用的腐蝕 溶液循環(huán)裝置，實(shí)現(xiàn)金屬材料腐蝕疲勞與應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)腐蝕液的循環(huán)更新；采用理論與試 驗(yàn)研究相結(jié)合的方法預(yù)測(cè)腐蝕疲勞壽命，能夠克服解析法與試驗(yàn)法的不足；預(yù)測(cè)方法合理， 結(jié)果準(zhǔn)確，預(yù)測(cè)結(jié)果不受材料-環(huán)境組合的影響；實(shí)施方案操作簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)；預(yù)測(cè)方法 推廣性強(qiáng)，便于工程應(yīng)用。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0019] 圖1為本發(fā)明的基于損傷演化的腐蝕疲勞壽命預(yù)測(cè)方法流程示意圖；
[0020] 圖2為待測(cè)材料試樣結(jié)構(gòu)圖；
[0021] 圖3為腐蝕溶液循環(huán)裝置示意圖；
[0022] 圖4為腐蝕疲勞損傷演化指數(shù)計(jì)算流程圖。

【具體實(shí)施方式】
[0023] 如圖1所示，基于損傷演化的腐蝕疲勞壽命預(yù)測(cè)方法，包括以下步驟：
[0024] 步驟一、進(jìn)行待測(cè)材料應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)，確定應(yīng)力腐蝕門檻值應(yīng)力與損傷指數(shù)，具體 方法如下：
[0025] 將待測(cè)材料加工成漏斗形試樣，如圖2所示，試樣兩端為圓柱形，并加工有螺紋， 便于夾持；試樣中間為測(cè)試部分，呈變截面圓柱形，采用成型砂輪橫磨而成，過(guò)渡圓弧半徑 R不小于最小截面處直徑d的5倍。
[0026] 選取試樣12根，并測(cè)量試樣的屈服極限〇 s。
[0027] 如圖3所示，腐蝕溶液循環(huán)裝置，包括：圓形頂蓋1、圓柱殼形容器2、耐腐蝕軟管 7、腐蝕溶液循環(huán)箱8與耐腐蝕電泵9 ;圓柱殼形容器2內(nèi)盛有腐蝕溶液3,圓形頂蓋1對(duì)圓 柱殼形容器2進(jìn)行封蓋，防止試驗(yàn)過(guò)程中容器晃動(dòng)造成腐蝕液濺出腐蝕設(shè)備；圓柱殼形容 器2的底部設(shè)有底部腐蝕溶液循環(huán)通孔4、頂端側(cè)壁上設(shè)有頂部腐蝕溶液循環(huán)通孔4 ;圓柱 殼形容器底部正中設(shè)有一個(gè)與試樣下夾持端匹配的螺紋孔，圓形頂蓋中心開孔，試樣下夾 持端穿過(guò)圓柱殼形容器底部的螺紋孔，試樣上夾持端穿過(guò)圓形頂蓋中心的開孔，試樣下夾 持端與容器底部連接處上下各裝有一個(gè)密封緊固螺栓，避免容器內(nèi)腐蝕溶液泄漏。
[0028] 腐蝕溶液循環(huán)箱8為頂端開口的容器，用于盛裝腐蝕溶液3,腐蝕溶液循環(huán)箱8的 側(cè)壁頂部開有通孔；腐蝕溶液循環(huán)箱8側(cè)壁上的通孔與圓柱殼形容器2的底部腐蝕溶液循 環(huán)通孔4通過(guò)軟管連接，并且在該軟管上設(shè)有閥門6,閥門6用于控制圓柱殼形容器2內(nèi)的 腐蝕溶液3流入腐蝕溶液循環(huán)箱8 ;腐蝕溶液循環(huán)箱8內(nèi)設(shè)有耐腐蝕電泵，耐腐蝕電泵的出 口通過(guò)軟管與圓柱殼形容器2頂部腐蝕溶液循環(huán)通孔4連接，耐腐蝕電泵將腐蝕溶液循環(huán) 箱8內(nèi)的腐蝕溶液3泵入圓柱殼形容器2內(nèi)，同時(shí)腐蝕溶液由自重作用通過(guò)容器底部閥門 與連接軟管流到腐蝕溶液循環(huán)箱，進(jìn)行腐蝕溶液的循環(huán)更新。
[0029] 應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)時(shí)，如圖3所示組裝試驗(yàn)裝置：先將一密封緊固螺栓擰到試樣下夾 持端適當(dāng)位置，然后將試樣下夾持端自上而下穿過(guò)圓柱殼形容器2的底部，直至緊固螺栓 與容器底部完全接觸，再將另一個(gè)密封緊固螺栓擰到下夾持端至與容器底部下方接觸，使 試樣與容器位置固定。在容器底部安裝閥門與軟管，連接到腐蝕溶液循環(huán)箱。將另一個(gè)軟 管與容器側(cè)上方開孔連接，并將圓形頂蓋蓋在容器之上。
[0030] 啟動(dòng)萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)，張開下夾頭，將試樣下夾持端放入下夾頭導(dǎo)槽內(nèi)，鎖緊下夾 頭，固定試樣及殼形容器。然后根據(jù)試樣上夾持端位置下降上夾頭到適當(dāng)位置，張開下夾頭 加緊試樣上夾持端。關(guān)閉閥門6,啟動(dòng)電泵9往容器內(nèi)注入腐蝕溶液至合理高度，停泵，試 驗(yàn)準(zhǔn)備完畢。
[0031] 待測(cè)材料的應(yīng)力與應(yīng)力腐蝕壽命之間的關(guān)系滿足以下關(guān)系：
[0032] lgtc=-plg( σ - σ th) +q (1)
[0033] 式中，t。為應(yīng)力腐蝕壽命；σ為試樣最小截面的平均應(yīng)力，等于試驗(yàn)載荷F除以試 樣最小截面的截面面積& ; 〇 th為應(yīng)力腐蝕門檻值應(yīng)力；p與q為試驗(yàn)常數(shù)。
[0034] 將12根試樣分為六組，每組兩根。根據(jù)待測(cè)材料的屈服極限，按照如下公式確定 6組試樣的試驗(yàn)載荷Fi :
[0035] Ffd. 0+0· lXi) σ SA0 (i=l…6) (2)
[0036] 每?jī)蓚€(gè)試樣采用同一個(gè)有效應(yīng)力進(jìn)行應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)。試驗(yàn)準(zhǔn)備完畢之后，啟動(dòng)試 驗(yàn)機(jī)使試樣軸向載荷達(dá)到確定值并維持載荷恒定；試驗(yàn)過(guò)程中分別記錄待測(cè)材料應(yīng)力腐蝕 應(yīng)力。與試樣斷裂時(shí)間t。（即應(yīng)力腐蝕壽命）。試驗(yàn)過(guò)程中要注意檢查容器的密封性，腐 蝕溶液每六小時(shí)更新一次。
[0037] 依次完成六組試驗(yàn)，根據(jù)應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)，按照式（1)回歸待測(cè)材料的應(yīng) 力腐蝕門檻值應(yīng)力σ th與應(yīng)力腐蝕損傷指數(shù)P。
[0038] 步驟二，進(jìn)行待測(cè)材料疲勞試驗(yàn)，確定疲勞損傷參數(shù)，具體方法如下：
[0039] 加工待測(cè)材料疲勞試樣12根，試樣與步驟一的試樣相同；將試樣分成六組，每組 兩根。
[0040] 利用MTS軸向加載疲勞試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)啟動(dòng)試驗(yàn)機(jī)，張開下夾頭，將 試樣下夾持端放入下夾頭導(dǎo)槽內(nèi)，夾緊下夾頭，然后下降上夾頭到適當(dāng)位置，張開下夾頭加 緊試樣上夾持端，試驗(yàn)準(zhǔn)備完畢。
[0041] 疲勞試驗(yàn)主要分析應(yīng)力振幅對(duì)疲勞壽命的影響，確定疲勞損傷參數(shù)。采用正弦波 加載，疲勞載荷參數(shù)最大應(yīng)力s max與應(yīng)力比Rs按照以下方法設(shè)定：取應(yīng)力均值σ。=1· 2 σ th 不變，六組試樣的試驗(yàn)應(yīng)力比Rs分別取〇· 05、0· 1、0· 15、0· 2、0· 25和0· 3,利用2〇 q=(1+Rs) Smax確定六組應(yīng)力比對(duì)應(yīng)的最大應(yīng)力Smax，組成六組疲勞載荷。啟動(dòng)MTS試驗(yàn)機(jī)，進(jìn)行疲勞試 驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程中記錄各組疲勞載荷參數(shù)與對(duì)應(yīng)的疲勞壽命，試驗(yàn)完畢后根據(jù)六組試樣的試 驗(yàn)結(jié)果，擬合疲勞損傷與應(yīng)力均值相關(guān)的試驗(yàn)參數(shù)Μ(σ J及疲勞損傷指數(shù)。
[0042] 對(duì)于常見材料，可以不進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，直接通過(guò)疲勞試驗(yàn)手冊(cè)（如：高鎮(zhèn)同，蔣新 桐，熊峻江，疲勞性能試驗(yàn)設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)處理-直升機(jī)金屬材料疲料性能可靠性手冊(cè)，北京： 北京航空航天大學(xué)出版社，1999)查詢材料的S-N試驗(yàn)數(shù)據(jù)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)的選取盡可能與疲 勞試驗(yàn)的載荷參數(shù)一致，如果無(wú)法找到完全一致的試驗(yàn)結(jié)果，可根據(jù)相近結(jié)果進(jìn)行線性插 值計(jì)算獲得，然后根據(jù)不同數(shù)據(jù)擬合M( 〇(l)及疲勞損傷指數(shù)。
[0043] 步驟三，確定待測(cè)材料腐蝕疲勞損傷非線性演化指數(shù)，建立損傷演化律，具體方法 如下：
[0044] 根據(jù)損傷理論，將腐蝕疲勞損傷處理成應(yīng)力均值控制的應(yīng)力腐蝕損傷、應(yīng)力振幅 主導(dǎo)的疲勞損傷的非線性累加結(jié)果，腐蝕疲勞損傷演化律方程如下：
[0045] dD = f (l-D)^Fcdt+FfdN (3)
[0046] 式中，D為腐蝕疲勞損傷；f為交變應(yīng)力頻率；ζ為非線性損傷演化指數(shù)；F。為單 個(gè)疲勞周期內(nèi)的應(yīng)力腐蝕損傷；F f為單個(gè)疲勞周期內(nèi)的疲勞損傷。
[0047] 加工待測(cè)材料漏斗形試樣6根，試樣與步驟一的試樣相同；分成六組，每組一根。 利用MTS軸向加載疲勞試驗(yàn)機(jī)與圖3所示腐蝕環(huán)境裝置進(jìn)行腐蝕疲勞試驗(yàn)。疲勞載荷的確 定方法如下：六組試樣的應(yīng)力比R s分別取〇· 05、0· 1、0· 15、0· 2、0· 25和0· 3,最大應(yīng)力利用 Smax=2. 4 σ tly/(1+RS)計(jì)算，組成六組的疲勞載荷，加載方式為正弦波。
[0048] 按如圖3所示組裝試驗(yàn)裝置：先將一密封緊固螺栓擰到試樣下夾持端適當(dāng)位置， 然后將試樣下夾持端自上而下穿過(guò)圓柱殼形容器2的底部，直至緊固螺栓與容器底部完全 接觸，再將另一個(gè)密封緊固螺栓擰到下夾持端至與容器底部下方接觸，使試樣與容器位置 固定。在容器底部安裝閥門與軟管，連接到腐蝕溶液循環(huán)箱。將另一個(gè)軟管與容器側(cè)上方 開孔連接，并將圓形頂蓋蓋在容器之上。
[0049] 張開試驗(yàn)機(jī)下夾頭，將試樣下夾持端放入下夾頭導(dǎo)槽內(nèi)，夾緊下夾頭，固定試樣及 腐蝕殼形容器。下降上夾頭到適當(dāng)位置，張開下夾頭加緊試樣上夾持端。關(guān)閉閥門6,啟動(dòng) 電泵9往容器內(nèi)注入腐蝕溶液至合理高度，停泵。
[0050] 啟動(dòng)MTS試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行腐蝕疲勞試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程中記錄各組疲勞載荷參數(shù)與對(duì)應(yīng)的 腐蝕疲勞壽命。試驗(yàn)完畢后根據(jù)六組試樣的腐蝕疲勞試驗(yàn)結(jié)果，采用迭代計(jì)算確定待測(cè)材 料的腐蝕疲勞損傷非線性演化指數(shù)ξ，流程圖如圖4所示。具體過(guò)程如下：設(shè)定損傷演化指 數(shù)初值ξ 〇,其中〇 < ( 〇 < 1 ;按式（3)形成初始腐蝕疲勞損傷演化律，計(jì)算腐蝕疲勞壽命， 如果計(jì)算出來(lái)的腐蝕疲勞壽命與試驗(yàn)結(jié)果相符，則該損傷演化指數(shù)合理；反之，設(shè)置損傷演 化指數(shù)增量，進(jìn)行迭代運(yùn)算，直到計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相符，確定損傷演化指數(shù)ξ，形成最 終的腐蝕疲勞損傷演化律。
[0051] 步驟四，待測(cè)材料腐蝕疲勞壽命預(yù)測(cè)：
[0052] 當(dāng)腐蝕疲勞損傷為1時(shí)，即認(rèn)定材料腐蝕疲勞破壞。根據(jù)（3)式，代入疲勞載荷參 數(shù)，采用數(shù)值積分方法，計(jì)算待測(cè)材料的腐蝕疲勞壽命。
【權(quán)利要求】
1. 一種基于損傷演化的腐蝕疲勞壽命預(yù)測(cè)方法，其特征在于，包括以下步驟： 步驟一、進(jìn)行待測(cè)材料應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)，確定應(yīng)力腐蝕門檻值應(yīng)力與損傷指數(shù)； 步驟二，進(jìn)行待測(cè)材料疲勞試驗(yàn)，確定疲勞損傷參數(shù)； 步驟三，確定待測(cè)材料腐蝕疲勞損傷非線性演化指數(shù)； 步驟四，待測(cè)材料腐蝕疲勞壽命預(yù)測(cè)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于損傷演化的腐蝕疲勞壽命預(yù)測(cè)方法，其特征在于，步驟 一的具體方法如下： 將待測(cè)材料加工成漏斗形試樣，選取試樣12根，并測(cè)量試樣的屈服極限； 待測(cè)材料的應(yīng)力與應(yīng)力腐蝕壽命之間的關(guān)系滿足以下關(guān)系： lgtc = -plg(〇-〇th)+q (1) 式中，t。為應(yīng)力腐蝕壽命；σ為試樣最小截面的平均應(yīng)力，等于試驗(yàn)載荷F除以試樣最 小截面的截面面積& ; 〇 th為應(yīng)力腐蝕門檻值應(yīng)力；ρ與q為試驗(yàn)常數(shù)； 將12根試樣分為六組，每組兩根；根據(jù)待測(cè)材料的屈服極限，按照如下公式確定6組試 樣的試驗(yàn)載荷Fi: F^d. 0+0. ΙΧ?) σ sA〇(i=l -6) (2) 每?jī)蓚€(gè)試樣采用同一個(gè)有效應(yīng)力進(jìn)行應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)；試驗(yàn)準(zhǔn)備完畢之后，啟動(dòng)試驗(yàn)機(jī) 使試樣軸向載荷達(dá)到確定值并維持載荷恒定；試驗(yàn)過(guò)程中分別記錄待測(cè)材料應(yīng)力腐蝕應(yīng) 力σ與試樣斷裂時(shí)間t。；試驗(yàn)過(guò)程中要注意檢查容器的密封性，腐蝕溶液每六小時(shí)更新一 次； 依次完成六組試驗(yàn)，根據(jù)應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)，按照式（1)回歸待測(cè)材料的應(yīng)力腐 蝕門檻值應(yīng)力σ th與應(yīng)力腐蝕損傷指數(shù)P。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1-2所述的基于損傷演化的腐蝕疲勞壽命預(yù)測(cè)方法，其特征在于，步 驟二的具體方法如下：加工待測(cè)材料疲勞試樣12根，將試樣分成六組，每組兩根； 利用MTS軸向加載疲勞試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，采用正弦波加載，疲勞載荷參數(shù)按照以 下方法設(shè)定：取應(yīng)力均值〇〇=1.2〇th不變，六組試樣的試驗(yàn)應(yīng)力比Rs分別取〇·〇5、0· 1、 0· 15、0· 2、0· 25和0· 3,利用2 〇 Q=(l+Rs)Smax確定六組應(yīng)力比對(duì)應(yīng)的最大應(yīng)力Smax，組成六組 疲勞載荷。啟動(dòng)MTS試驗(yàn)機(jī)，進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程中記錄各組疲勞載荷參數(shù)與對(duì)應(yīng)的疲 勞壽命，試驗(yàn)完畢后根據(jù)六組試樣的試驗(yàn)結(jié)果，擬合疲勞損傷與應(yīng)力均值相關(guān)的試驗(yàn)參數(shù) MOJ及疲勞損傷指數(shù)； 對(duì)于常見材料，可以不進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，直接通過(guò)疲勞試驗(yàn)手冊(cè)查詢材料的S-N試驗(yàn)數(shù) 據(jù)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)的選取盡可能與疲勞試驗(yàn)的載荷參數(shù)一致，如果無(wú)法找到完全一致的試驗(yàn) 結(jié)果，可根據(jù)相近結(jié)果進(jìn)行線性插值計(jì)算獲得，然后根據(jù)不同數(shù)據(jù)擬合Μ( 〇 J及疲勞損傷 指數(shù)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1-3所述的基于損傷演化的腐蝕疲勞壽命預(yù)測(cè)方法，其特征在于，步 驟三的具體方法如下： 根據(jù)損傷理論，將腐蝕疲勞損傷處理成應(yīng)力均值控制的應(yīng)力腐蝕損傷、應(yīng)力振幅主導(dǎo) 的疲勞損傷的非線性累加結(jié)果，腐蝕疲勞損傷演化律方程如下： dD = f (l-D)^Fcdt+FfdN (3) 式中，D為腐蝕疲勞損傷；f為交變應(yīng)力頻率；ζ為非線性損傷演化指數(shù)；F。為單個(gè)疲 勞周期內(nèi)的應(yīng)力腐蝕損傷；Ff為單個(gè)疲勞周期內(nèi)的疲勞損傷； 加工待測(cè)材料漏斗形試樣6根，分成六組，每組一根；利用MTS軸向加載疲勞試驗(yàn)機(jī)與 腐蝕環(huán)境裝置進(jìn)行腐蝕疲勞試驗(yàn)；疲勞載荷的確定方法如下：六組試樣的應(yīng)力比Rs分別取 0.05、0.1、0.15、0.2、0.25和0.3，最大應(yīng)力利用5_=2.4(^ 1/(1+馬）計(jì)算，組成六組的疲勞 載荷，加載方式為正弦波； 啟動(dòng)MTS試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行腐蝕疲勞試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程中記錄各組疲勞載荷參數(shù)與對(duì)應(yīng)的腐 蝕疲勞壽命。試驗(yàn)完畢后根據(jù)六組試樣的腐蝕疲勞試驗(yàn)結(jié)果，采用迭代計(jì)算確定待測(cè)材 料的腐蝕疲勞損傷非線性演化指數(shù)（，具體過(guò)程如下：設(shè)定損傷演化指數(shù)初值其中〇 1 ;按式（3)形成初始腐蝕疲勞損傷演化律，計(jì)算腐蝕疲勞壽命，如果計(jì)算出來(lái)的腐 蝕疲勞壽命與試驗(yàn)結(jié)果相符，則該損傷演化指數(shù)合理；反之，設(shè)置損傷演化指數(shù)增量，進(jìn)行 迭代運(yùn)算，直到計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相符，確定損傷演化指數(shù)ξ，形成最終的腐蝕疲勞損傷 演化律。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1-4所述的基于損傷演化的腐蝕疲勞壽命預(yù)測(cè)方法，其特征在于，步 驟四的具體方法如下：當(dāng)腐蝕疲勞損傷為1時(shí)，即認(rèn)定材料腐蝕疲勞破壞，根據(jù)式（3)，代入 疲勞載荷參數(shù)，采用數(shù)值積分方法，計(jì)算待測(cè)材料的腐蝕疲勞壽命。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1-5所述的基于損傷演化的腐蝕疲勞壽命預(yù)測(cè)方法，其特征在于，試 樣兩端為圓柱形，并加工有螺紋，便于夾持；試樣中間為測(cè)試部分，呈變截面圓柱形，采用成 型砂輪橫磨而成，過(guò)渡圓弧半徑R不小于最小截面處直徑d的5倍。
7. 權(quán)利要求1-6所述的基于損傷演化的腐蝕疲勞壽命預(yù)測(cè)方法所采用的腐蝕溶液循 環(huán)裝置，包括：圓形頂蓋、圓柱殼形容器、耐腐蝕軟管、腐蝕溶液循環(huán)箱與耐腐蝕電泵；其特 征在于：圓柱殼形容器內(nèi)盛有腐蝕溶液，圓形頂蓋對(duì)圓柱殼形容器進(jìn)行封蓋，防止試驗(yàn)過(guò)程 中容器晃動(dòng)造成腐蝕液濺出腐蝕設(shè)備；圓柱殼形容器的底部設(shè)有底部腐蝕溶液循環(huán)通孔、 頂端側(cè)壁上設(shè)有頂部腐蝕溶液循環(huán)通孔；圓柱殼形容器底部正中設(shè)有一個(gè)與試樣下夾持 端匹配的螺紋孔，圓形頂蓋中心開孔，試樣下夾持端穿過(guò)圓柱殼形容器底部的螺紋孔，試樣 上夾持端穿過(guò)圓形頂蓋中心的開孔，試樣下夾持端與容器底部連接處上下各裝有一個(gè)密封 緊固螺栓，避免容器內(nèi)腐蝕溶液泄漏； 腐蝕溶液循環(huán)箱為頂端開口的容器，用于盛裝腐蝕溶液，腐蝕溶液循環(huán)箱的側(cè)壁頂部 開有通孔；腐蝕溶液循環(huán)箱側(cè)壁上的通孔與圓柱殼形容器的底部腐蝕溶液循環(huán)通孔通過(guò)軟 管連接，并且在該軟管上設(shè)有閥門，閥門用于控制圓柱殼形容器內(nèi)的腐蝕溶液流入腐蝕溶 液循環(huán)箱；腐蝕溶液循環(huán)箱內(nèi)設(shè)有耐腐蝕電泵，耐腐蝕電泵的出口通過(guò)軟管與圓柱殼形容 器頂部腐蝕溶液循環(huán)通孔連接，耐腐蝕電泵將腐蝕溶液循環(huán)箱內(nèi)的腐蝕溶液泵入圓柱殼形 容器內(nèi)，同時(shí)腐蝕溶液由自重作用通過(guò)容器底部閥門與連接軟管流到腐蝕溶液循環(huán)箱，進(jìn) 行腐蝕溶液的循環(huán)更新。
8. -種進(jìn)行待測(cè)材料應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)的方法，采用權(quán)利要求7的腐蝕溶液循環(huán)裝置，其 特征在于：應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)時(shí)，先將一密封緊固螺栓擰到試樣下夾持端適當(dāng)位置，然后將試樣 下夾持端自上而下穿過(guò)圓柱殼形容器的底部，直至緊固螺栓與容器底部完全接觸，再將另 一個(gè)密封緊固螺栓擰到下夾持端至與容器底部下方接觸，使試樣與容器位置固定；在容器 底部安裝閥門與軟管，連接到腐蝕溶液循環(huán)箱。將另一個(gè)軟管與容器側(cè)上方開孔連接，并將 圓形頂蓋蓋在容器之上；啟動(dòng)萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)，張開下夾頭，將試樣下夾持端放入下夾頭導(dǎo) 槽內(nèi)，鎖緊下夾頭，固定試樣及殼形容器。然后根據(jù)試樣上夾持端位置下降上夾頭到適當(dāng) 位置，張開下夾頭加緊試樣上夾持端；關(guān)閉閥門，啟動(dòng)電泵往容器內(nèi)注入腐蝕溶液至合理高 度，停泵，試驗(yàn)準(zhǔn)備完畢。
【文檔編號(hào)】G01N3/56GK104062196SQ201410008876
【公開日】2014年9月24日 申請(qǐng)日期:2014年1月8日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月8日
【發(fā)明者】黃小光, 曹宇光, 韓忠英, 林紅, 徐國(guó)強(qiáng) 申請(qǐng)人:中國(guó)石油大學(xué)(華東)