超高周疲劳裂纹萌生时间计算方法

摘要

本发明属于铁系材料超高周疲劳损伤耦合机理的定量化描述和寿命计算分析领域，尤其涉及超高周疲劳裂纹萌生时间计算分析方法。采用能量守恒原理、弹性力学和断裂力学等原理，以空心轴为例，建立了三维瞬态温度场，提出了耦合作用下超高周疲劳裂纹萌生过程的定量化模型和时间计算方法，给出了新的裂纹萌生判据，并进行了许用应力设计推理；发现裂纹的扩展是非连续的，外界作用时间的变化与裂纹长度的变化是同方向的，变化的快慢受表面能和屈服极限影响。本方案的优点是：本发明基于材料内部裂纹尺寸为零的，多因素耦合作用的裂纹萌生的定量模型。对现实生产中裂纹可观测尺度裂纹萌生时间估计贡献更为直接，且更为科学。

主权项

一种超高周疲劳裂纹萌生时间计算方法，其特征在于：在交变载荷下，构件承受力的作用，构件发生微小变形，以势能的形式吸收能量，构件内部某处应力集中，少数晶格发生位错，分子间距改变，局部温度升高，产生热膨胀，有了热应力，同时，由于局部温度升高，局部地区的材料力学性能发生变化，屈服强度和裂纹门槛值变小，产生非常微小裂纹；裂纹的产生一方面要形成表面能，一方面，要产生应变，形成势能，并以断裂能的形式吸收部分外功；外界继续做同样大小或同样变化的功，变化继续发生；若构件的表面能固定，应变不再发生，势能保持恒定，外界做的功由构件内部消耗；构件以更大的应变使势能增加、局部应力增大，原有裂纹的表面能增加，当裂纹的表面能和势能的增加不足以消耗外在的功时，断裂能必须增加，热能增大，裂纹进行小幅度扩展；若构件的表面能不足以吸收完全时，裂纹再扩张，裂纹扩展的面积使得构件外边面表面屈服强度小于外在的功作用在构件截面的强度和膨胀力的合力，构件的外表面产生裂纹，以形成新的断裂面的形式来消耗外在的功，并走向断裂。