疲勞強(qiáng)度研究新篇章：力學(xué)所推動(dòng)疲勞強(qiáng)度測(cè)試與評(píng)價(jià)方法創(chuàng)新

2024-08-06 08:42:46來源：中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所閱讀量：108 評(píng)論

　　疲勞是機(jī)械零部件的一種主要失效模式，發(fā)展高效、可靠的疲勞強(qiáng)度測(cè)試與評(píng)價(jià)方法至關(guān)重要。力學(xué)所非線性力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室微結(jié)構(gòu)計(jì)算力學(xué)課題組孫成奇研究員等基于概率統(tǒng)計(jì)理論，創(chuàng)新性地提出了一種新型的疲勞強(qiáng)度測(cè)試與評(píng)價(jià)方法。該成果以“A continuous testing method for fatigue strength evaluation in high cycle and very high cycle regimes”為題發(fā)表在疲勞領(lǐng)域權(quán)威期刊Int. J. Fatigue。

　　現(xiàn)有通用的疲勞強(qiáng)度測(cè)試方法——GB/T 24176-2009的升降法(up-and-down method, UDM)中，后一個(gè)試樣的測(cè)試應(yīng)力需要依據(jù)前一個(gè)試樣的測(cè)試結(jié)果來確定，這一過程往往導(dǎo)致測(cè)試周期的顯著延長(zhǎng)，耗費(fèi)大量時(shí)間。在超高周疲勞(≥107周次的疲勞)強(qiáng)度評(píng)價(jià)中，這一不足尤為突出。比如100 Hz下測(cè)試109周次需要116天，如果有效測(cè)試樣品16件，其中不少于6件測(cè)試109周次，則至少需要1.9年。同時(shí)，現(xiàn)有疲勞強(qiáng)度測(cè)試方法在一些情況下無法根據(jù)測(cè)試結(jié)果評(píng)價(jià)疲勞強(qiáng)度，大大增加測(cè)試成本。

　　多種材料的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，新的疲勞強(qiáng)度測(cè)試與評(píng)價(jià)方法(continuous testing method, CTM)(圖1)評(píng)估的高周和超高周疲勞強(qiáng)度下極限優(yōu)于UDM。如圖2給出的兩種方法測(cè)試與評(píng)價(jià)中，UDM無法對(duì)40Cr鋼的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)，而對(duì)2024-T351和6005A-T6鋁合金的評(píng)價(jià)結(jié)果明顯偏于危險(xiǎn)，評(píng)估的95%置信度、99%存活率下疲勞強(qiáng)度下極限高于測(cè)試的樣品中發(fā)生失效的最小應(yīng)力水平。數(shù)值實(shí)驗(yàn)結(jié)果也表明，CTM評(píng)價(jià)的疲勞強(qiáng)度更為合理、可靠。CTM還可以同時(shí)測(cè)試多個(gè)樣品，大大縮短測(cè)試時(shí)間，比如16個(gè)有效樣品的測(cè)試周期與UDM相比可以縮短2/3以上。

　　CTM為材料和零部件的疲勞強(qiáng)度測(cè)試與評(píng)價(jià)提供了新思路，并獲CSTM 標(biāo)準(zhǔn)立項(xiàng)(編號(hào)：CSTMLX 0100 01278—2023)，將在材料和零部件的疲勞強(qiáng)度評(píng)價(jià)中發(fā)揮重要作用。

圖1 CTM方法示意圖

　　圖2 CTM方法和UDM方法評(píng)估的疲勞強(qiáng)度對(duì)比，虛線表示測(cè)試的樣品中發(fā)生失效的最小應(yīng)力水平

　　力學(xué)所博士研究生仵涵為第一作者，孫成奇研究員為通訊作者。相關(guān)研究得到中國(guó)科學(xué)院基礎(chǔ)與交叉前沿科研先導(dǎo)專項(xiàng)“深海結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期服役安全與可靠性”(編號(hào)XDB0620303)與國(guó)家自然科學(xué)基金基礎(chǔ)科學(xué)中心“非線性力學(xué)的多尺度力學(xué)研究”項(xiàng)目(11988102)的支持。

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