基于有限体积应变能的钎焊焊接接头疲劳寿命预测方法与流程

1.本发明涉及特种设备疲劳寿命评估技术领域，特别涉及一种基于有限体积应变能的钎焊焊接接头疲劳寿命预测方法。


背景技术：

2.传统的基于应力强度的疲劳裂纹扩展速率预测方法，即基于paris方程及其修正方程的方法虽然能够在一定程度上有效预测裂纹扩展速率，但是仍然存在以下问题：1、物理意义仍不明晰，2、对于混合裂纹行为缺乏统一的预测方法，需针对不同情况进行修正，3、对于钎焊接头的有效性未得到验证。基于griffith断裂理论，裂纹的扩展过程本质上是能量的释放过程，同时能量法也在延性断裂、蠕变寿命预测等领域得到广泛的应用。针对裂纹扩展，可采用j积分的方法来描述裂纹前端的能量释放率，但是j积分的计算基于单调加载假设，对于交变载荷作用下的疲劳裂纹的扩展，特别是拉压载荷作用下，单调加载的假设无法成立。因此，采用基于j积分的能量法无法有效的预测钎焊焊接接头疲劳裂纹扩展速率。


技术实现要素：

3.为此，需要提供一种基于裂纹前端控制体积应变能密度，针对钎焊接头混合型裂纹扩展特性，提出了基于有限体积应变能的钎焊焊接接头疲劳寿命预测方法。
4.为实现上述目的，发明人提供了一种基于有限体积应变能的钎焊焊接接头疲劳寿命预测方法，包括以下步骤：m1：钎焊焊接接头临界纯拉伸、剪切内聚力能值测定；m2：钎焊焊接接头焊缝残余应力σ
r
测量；m3：焊接接头接头断裂韧性的评估；m4：钎焊焊接接头裂纹扩展速率da/dt测量；m5：运用有限体积应变能方法实现钎焊接头疲劳寿命的预测。
5.作为本发明的一种优选方式，m1：钎焊焊接接头临界纯拉伸、剪切内聚力能值测定还包括以下步骤：m101：制备t型钎焊试样，t型试样由l型母材与钎料钎焊而成，制备完成后通过施加垂直于钎焊焊缝的载荷，重复实验，获得若干组载荷
‑
位移曲线，并获得稳定的载荷平均值p1；m102：制备i型焊接接头试样，i型试样由梯型母材与钎料钎焊而成,制备完成后通过施加平行于钎焊焊缝的载荷，重复实验，获得若干组载荷
‑
位移曲线，并获得稳定的载荷平均值p2。
6.作为本发明的一种优选方式，所述l型母材厚度在1mm
‑
1.5mm之间，所述梯型母材的厚度在10mm
‑
12mm之间。
7.作为本发明的一种优选方式，还包括以下步骤：m103：将t型试样的载荷平均值p1代入公式获得纯拉内聚力能g
ic
；m104：将i型试样的载荷平均值p2代入公式g
iic
＝2p2/b获得纯剪切内聚力能g
iic
；其中，b为试样宽度，h为试样厚度，σ
y
为母材的屈服应力，e为母材的弹性模量。
8.作为本发明的一种优选方式，m2：钎焊焊接接头焊缝残余应力σ
r
测量包括以下步骤：m201：制备残余应力测量矩形钎焊试样，钎料位于试样中部；m202：通过xrd测试钎焊焊
缝处垂直于焊缝以及平行于焊缝方向的残余应力σ
r1
、σ
r2
，分别测量若干组残余应力值，取其平均值。
9.作为本发明的一种优选方式，所述矩形钎焊试样厚度小于10mm。
10.作为本发明的一种优选方式，m3：焊接接头接头断裂韧性的评估包括以下步骤：m301：将步骤m103中的纯拉内聚力能g
ic
值和步骤m104中的纯剪切内聚力能g
iic
值分别带入公式和计算获得钎焊焊接接头i型以及ii型裂纹的临界断裂韧性；m302：将步骤m202中的σ
r1
、σ
r2
数值分别代入和计算出裂纹强度因子幅值，其中δσ1和δσ2分别为正向和切向应力幅值。
11.作为本发明的一种优选方式，m4：钎焊焊接接头裂纹扩展速率da/dt测量包括以下步骤：m401：制备步骤m201中所述的钎焊试样；m402：采用线切割的方式制备成标准ct试样，保证其用于裂纹扩展的三角形尖端位于钎料处；m403：对标准ct试样加载疲劳载荷获得疲劳裂纹扩展速率da/dt。
12.作为本发明的一种优选方式，m5：运用有限体积应变能方法实现钎焊接头疲劳寿命的预测包括以下步骤：将步骤m301、m302、m403获得的数据代入公式：
[0013][0014]
计算获得裂纹前端有限体积应变能，结合裂纹扩展速率da/dt，拟合获得疲劳寿命公式
[0015]
作为本发明的一种优选方式，所述试样钎焊完成后，所述的钎料厚度小于60μm。
[0016]
区别于现有技术，上述技术方案所达到的有意效果有：本技术方案通过一些系列的测试，将裂纹前端控制体积应变能密度与钎焊焊接接头疲劳裂纹扩展速率之间建立联系，克服了传统预测方法使用情况单一、精度不高的缺点，实现了钎焊焊接接头复杂加载模式下的裂纹扩展速率的评估，从而实现了钎焊焊接接头疲劳寿命的科学预测。
附图说明
[0017]
图1为具体实施方式所述t型试样的结构示意图；
[0018]
图2为具体实施方式所述i型试样的结构示意图；
[0019]
图3为具体实施方式所述残余应力测试用矩形试样结构示意图；
[0020]
图4为具体实施方式所述ct紧凑试样结构示意图；
[0021]
图5为具体实施方式所述t型试样拉伸曲线图；
[0022]
图6为具体实施方式所述i型试样拉伸曲线图；
[0023]
图7为具体实施方式所述裂纹扩展速率与裂纹前端控制体积应变能密度关系示意图。
[0024]
附图标记说明：
[0025]
101、t型式样；102、l型母材；103、钎料；104、i型试样；
[0026]
105、梯型母材；106、矩形钎焊试样；107、标准ct试样。
具体实施方式
[0027]
为详细说明技术方案的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合具体实施例并配合附图详予说明。
[0028]
请一并参阅1至图7，如图所示，本实施例提供了一种基于有限体积应变能的钎焊焊接接头疲劳寿命预测方法，预测对象为s30408钎焊焊接接头，母材为s30408奥氏体不锈钢，钎料为镍基钎料，钎焊完成后钎料厚度为50μm，测试步骤包括：钎焊焊接接头临界纯拉伸、剪切内聚力能(g
ic
和g
iic
)值测定，钎焊焊接接头焊缝残余应力σ
r
测量，焊接接头接头断裂韧性的评估，钎焊焊接接头裂纹扩展速率da/dt测量以及运用有限体积应变能方法实现钎焊接头疲劳寿命预测。
[0029]
首先分别制备t型钎焊试样以及i型焊接接头试样，如图1所示，t型式样101由l型母材102与钎料103钎焊而成，其中l型母材厚度为1mm，制备完成后施加垂直于钎焊焊缝的载荷，加载速率为0.005mm/s,重复3组实验，获得3组载荷
‑
位移曲线，如图5所示，获得稳定载荷p1的平均值为540n。如图2所示，i型试样104由梯型母材105与钎料103钎焊而成，其中梯型母材的厚度为10mm，制备完成后施加平行于钎焊焊缝的载荷，加载速率为0.005mm/s,重复3组实验，获得3组载荷
‑
位移曲线，如图6所示，获得稳定载荷p2的平均值为610n。
[0030]
随后将t型试样101的载荷平均值p1代入公式获得纯拉伸内聚力能g
ic
；将i型试样104的载荷平均值p2代入公式g
iic
＝2p2/b，获得纯剪切内聚力能g
iic
；公式中，b为试样宽度，h为试样厚度，σ
y
为s30408的屈服应力，e为s30408的弹性模量。
[0031]
制备残余应力测试矩形钎焊试样106，如图3所示，钎料位于试样中部，试样厚度为8mm，通过xrd测试钎焊焊缝处垂直于焊缝以及平行于焊缝方向的残余应力σ
r1
、σ
r2
，共测量5个点，测点均匀分布，残余应力值取平均值，结果显示残余应力为拉应力，值分别为67mpa和83mpa。
[0032]
将上述数值分别代入公式和计算获得钎焊焊接接头i型以及ii型裂纹的临界断裂韧性k
icth
和k
iicth
的值；随后再次代入和计算裂纹扩展过程中的裂纹强度因子幅值，其中δσ1和δσ2分别为疲劳载荷作用下正向和切向应力幅值。
[0033]
制备钎焊试样，然后采用线切割的方式制备成标准ct试样107，如图4所示，保证其用于裂纹扩展的三角形尖端位于钎料处，然后对标准ct试样加载疲劳载荷获得疲劳裂纹扩展速率da/dt。
[0034]
最后将获得的数据代入公式计算获得裂纹前端有限体积应变能，其中，e1和e2分别为裂纹张开角2α和泊松比μ的函数，对裂纹而言，e1和e2分别为0.133，λ1为裂纹形状参数0.5。结合裂纹扩展速率da/dt拟合获得疲劳寿命公
式如图7所示，从而实现钎焊接头疲劳寿命的预测。
[0035]
需要说明的是，尽管在本文中已经对上述各实施例进行了描述，但并非因此限制本发明的专利保护范围。因此，基于本发明的创新理念，对本文所述实施例进行的变更和修改，或利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，直接或间接地将以上技术方案运用在其他相关的技术领域，均包括在本发明的专利保护范围之内。