一种从能量的角度改进Coffin-Manson关系的疲劳寿命预测的方法与流程

本发明涉及一种从能量的角度改进coffin-manson关系的疲劳寿命预测的方法，就是在基于能量寿命预测方程，得到含有循环硬化指数和循环强度系数的coffin-manson方程。

背景技术：

燃煤为主的能源结构是我国雾霾天气的主要成因之一，而燃煤发电是我国目前最主要的发电方式，该趋势将长期存在。因此，除了改变能源结构，发展高效洁净的超超临界(usc)机组是节能减排的重要途径之一。对于超超临界机组来说，工作温度要超过700℃，主要的蒸汽压力超过35mpa，所以如此恶劣的工作环境能够大幅度的减少工作组件的寿命。对于过热器和再热器来说，在启动和停机，以及工作过程中温度气流变化时，都会受到循环热应力的作用。这意味着这类组件经常出现高温低周疲劳失效。所以，对于将要应用于超超临界机组的新一代耐热钢来说，对其高温低周疲劳寿命的预测就变得非常重要。

几十年以来，国内外已经发展了一些预测高温低周疲劳寿命的方法。其中主要包括：以显微组织为基础建立疲劳寿命预测模型，基于产生缺陷的概率密度函数来建立疲劳寿命预测模型，考虑独立的积累损伤来建立疲劳寿命预测模型以及从能量的角度来建立疲劳寿命预测模型。而能量寿命预测模型是一种基于损伤的模型，因此能够更加精确地预测疲劳寿命。目前，新型耐热钢的高温低周疲劳寿命预测还没有被进行系统的研究。所以基于能量的角度，得到含有循环硬化指数和循环强度系数的coffin-manson方程更加全面的反映循环变形行为对循环寿命的影响，因此能够大大提高疲劳寿命预测的精度。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有技术中存在的技术缺陷，而提供一种从能量的角度改进coffin-manson关系的疲劳寿命预测的方法。

为实现本发明的目的所采用的技术方案是：

一种从能量的角度改进coffin-manson关系的疲劳寿命预测的方法，包括以下步骤：

步骤1，通过下式(1)求得修正系数a：

其中:δwp是迟滞能，单位是mj/m³；n’是循环硬化指数，无量纲；k′是循环强度系数mpa，δεp/2是塑性应变幅值，单位是无量纲；

在式(1)中:δwp和δεp/2通过疲劳过程实验数据得到，n’和k′通过式(2)获得

在式(2)中：δσ/2是应力幅值，单位是mpa，通过疲劳过程实验数据得到；

步骤2，通过软件拟合计算参数b：

在式(3)中：σmax是最大应力，单位是mpa，通过疲劳过程实验数据得到；

步骤3，通过软件拟合计算材料参数m和c：

将步骤1中计算得到的n’、通过疲劳过程实验数据得到的δwp、nf以及σmax代入到式(4)中：

通过软件拟合可以得到参数m和c；

步骤4，将步骤1中计算得到的a，步骤2中计算得到的b，以及步骤3计算得到的m和c代入到式(3)中，得到从能量的角度改进coffin-manson关系的疲劳寿命预测公式式(5)

经由式(5)可得到疲劳寿命nf，nf的单位为周次。

在上述技术方案中，所述步骤2和步骤3中的软件拟合所用软件为origin软件。

在上述技术方案中，步骤1、步骤2和步骤3中的疲劳过程实验数据为室温低周疲劳实验、室温高周疲劳实验、高温低周疲劳实验和蠕变-疲劳实验。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提出了一种从能量的角度改进coffin-manson关系的疲劳寿命预测方法，与现有预测方法相比，本发明以能量寿命预测模型为基础，引入循环硬化指数n’和循环强度系数k′，得到改进的coffin-manson方程，能够更加准确地预测疲劳寿命。

附图说明

图1不同总的应变幅值下的应力幅值和塑性应变幅值的关系；

图2能量寿命预测模型的拟合结果；

图3不同总的应变幅值下迟滞能和塑性应变幅值的关系；

图4不同总的应变幅值下最大应力和塑性应变幅值的关系。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

s1：选取新型耐热钢saniro25为研究对象。在700℃进行一系列总的应变幅值为0.3％、0.35％、0.4％和0.5％的低周疲劳试验。具体实验步骤可参照文献jingh,luoz,xul,etal.lowcyclefatiguebehaviorandmicrostructureevolutionofanovel9cr–3w–3cotemperedmartensiticsteelat650℃[j].materialsscience&engineeringa,2018,731.

s2：通过以上实验，可到δσ，δεp，δwp和σmax的数值。

通过应力幅值δσ/2和塑性应变幅值δεp/2的关系可以求出循环硬化指数n’：参考文献(g.j.fan,h.choo,p.k.liaw,e.j.lavernia.plasticdeformationandfractureofultrafine-grainedal–mgalloyswithabimodalgrainsizedistribution.actamater2006；54:1759-1766.)

其中n’的计算过程如下：通过origin软件拟合实验数据，先在origin中输入实验数据，在坐标系中画出4个实验数据，然后选用指数函数来拟合，拟合的结果如图1所示，可以得到n’＝0.17，k′＝1150mpa。

然后把n’的值代入下式(2)中，参考文献(s.zhu,h.huang,l.he,y.liu,z.wang.ageneralizedenergy-basedfatigue–creepdamageparameterforlifepredictionofturbinediskalloys.engfractmech2012；90:89-100.)

可以得到：

其中：δwp是迟滞能，单位是mj/m³；σmax是最大应力，单位是mpa；nf是疲劳寿命，单位是周次；n’是循环硬化指数，无量纲，m和c是材料参数，无量纲。

用x替代和用y替代1/nf。公式(3)变形为：

然后用origin软件对实验数据进行拟合，拟合结果展示在图2中，表达式如下：

y＝1.92×10^-9x^1.76,(5)

因此，根据方程4和5对应项系数相等，可以求出m和c的值，m＝0.48和c＝1.11×10^-5。

然后把n’＝0.17，m＝0.48和c＝1.11×10^-5的值代人方程(2)，能量寿命预测模型就可以表达为：

通过方程6计算总的应变幅值为0.4％时的疲劳寿命nfp＝1336和实验得到的真实疲劳寿命nft＝1215相比，计算值的偏差在9.95％以内。计算过程如下：

可以说明该模型能够很好的预测高温低周疲劳寿命。

上面公式6中的迟滞能δwp的理论公式(8)可以表示为：(参考文献:sivaprasads,paulsk,dasa.cyclicplasticbehaviourofprimaryheattransportpipingmaterials:influenceofloadingschemesonhysteresisloop.materscieng,a2010；527:6858-6869.)

结合迟滞能的实验数据(如图3所示)，我们可以修订上面的公式8，结果如下：

另外，最大应力σmax和塑性应变幅值δεp/2的关系可以被拟合如图4所示，结果展示如下：

因此，把方程9和10代入方程6，一个从能量的角度改进的coffin-manson关系可以表示为：

对从能量的角度改进的coffin-manson关系进行验证：

通过将总的应变幅值为0.3％时的参数n’＝0.17，k′＝1150mpa,δεp/2＝0.0542％，代入式(11)计算可得到疲劳寿命nf＝9960，实验得到的真实疲劳寿命nft＝11161相比，计算值的偏差为10.76％。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。