CN112362509A - 通过率相关应变诱导金属高周疲劳强化的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种通过率相关应变诱导金属高周疲劳强化的方法，该方法适用于大多数金属及其构件，通过一种简单的试样拉伸测试方法确定合适的应变率，并通过该应变率进行金属的预应变处理，可进行一次预应变或多次循环预应变的强化作用。与现有技术相比，本发明适用性强，适宜于不同材质、不同结构的金属制品或构件，并适宜于金属的不同服役环境。本发明着重探究了应变率在应变强化作用方面的机制，强化机理主要是提升了金属晶粒内位错的平面滑移能力以及晶格的均匀变形能力，有助于延缓疲劳源的萌生；并在晶界、相界面位置形成完整、封闭、独立的位错结构，进一步阻碍了疲劳裂纹的扩展。本发明可在不改变已有机械设备的基础上，提升金属材料和构件的高周疲劳性能，非常方便进行应用推广，并且在显著提升疲劳性能的同时，仍能保持目标金属良好的塑性。
Description
技术领域
本发明涉及一种通过率相关应变的物理手段，提高金属材料、结构的高周疲劳性能的方法，属于材料、机械等技术领域。
技术背景
现代工程中很多金属构件都是在循环载荷下工作的，如曲轴、连杆、转子、叶片、桥梁、轮轴、核反应堆及发电设备等，有别于低周疲劳，高周疲劳的最大循环应力低于金属的屈服强度，高周疲劳断裂通常是突然发生，而且无论脆性或者韧性材料，都不会发生明显的宏观塑性变形，因此往往导致灾难性的后果。已有许多研究成果表明，金属在107周次以上的高周疲劳阶段仍然可能出现断裂。如何提高金属的高周疲劳性能，意义重大，是一个研究的热点。
另一方面，已服役的金属构件在服役一段时间后，由于内部残余应力的释放，往往会出现剩余疲劳寿命大幅度降低的现象，如何在不改变原始组织的前提下，快速提高金属的剩余疲劳性能，是一个研究的难点。
专利CN106769440A公开了一种应变强化拉伸试样的处理方法，通过拉伸试样至一定应力后长时间的保压，实现材料的应变强化。专利CN106048412B公开了一种相变强化冷加工高强度钢、钢管及钢管的制造方法，提供一新型钢、钢管的成分配比，在热处理阶段通过淬火时产生的相变强化和冷加工时产生的应变强化，使马氏体强化和应变强化产生了一复合强化效果。专利CN110595744A公开了一种应变强化工艺装备及其运行方法以及测试***，通过机械增压装置的调节，使得液压在一个稳定的值，能够保持恒定液压对容器金属壁材料进行冷拉伸强化处理，保证了强化效果。专利CN109777936A公开了一种马氏体不锈钢超低温应变强化方法，在低温环境下测得的屈服强度作为单向拉应力，按照加载周期加载于试样上，循环次数不高于30次，在不降低塑性的前提下，提高了不锈钢的低温屈服强度。关于不同形式的应变强化的专利较多，但是，缺乏应变率在应变强化作用方面的研究和介绍。因此，关于率相关应变对高周疲劳的强化作用，以及在不改变原始组织的前提下，方便快速的提高金属的剩余疲劳强度，是一个亟需解决的问题。
发明内容
技术问题：本发明的目的是提供一种通过率相关应变诱导金属高周疲劳强化的方法，该方法适用于大多数金属及其构件，通过一种简单的试样拉伸测试方法确定合适的应变率，并通过该应变率进行金属的预应变处理，可进行一次预应变或多次循环预应变的强化作用，同时材料仍能保持良好的塑性。
技术方案：本发明的提供了一种通过率相关应变诱导金属高周疲劳强化的方法，包括以下步骤：
(1)将金属制品或构件的母材分别按照标准GB/T 228.1-2010和GB/T 3075-2008制备成若干标准圆棒拉伸试样和若干标准圆棒疲劳试样；
(2)通过温控箱模拟金属制品或构件的长期服役环境，按照标准GB/T 228.1-2010将若干拉伸试样在该温度环境下进行拉伸测试，确定该金属材料的上屈服强度(ReH)和下屈服强度(ReL)；
(3)将同材料的若干疲劳试样在该温度环境下分别进行预应变拉伸测试，拉伸应变率分别为10-5s-1、10-4s-1、10-3s-1、10-2s-1、10-1s-1，最大拉伸应力为该材料在该温度下的ReL，保压5s，随后立即卸载；
(4)将预应变后的试样进行循环加载试验，最大循环应力为(ReH+ReL)/2，最小循环应力为-[(ReH+ReL)/2-100MPa]，每组循环加载直至出现循环软化为止；
(5)确定循环硬化最久工况下的预应变拉伸加载的应变率，并定义为
将其作为该金属制品或构件在该温度下的率相关应变强化标准，进行下一步的一次预应变或多次循环预应变作用；
(6)通过上述步骤确定的该金属在该温度下的应变率
进行金属制品或构件的预应变处理，所测出的ReL应力大小作为最大加载应力，按照应力比为0的拉-拉加载方式周期加载于金属制品或构件上，进行一次预应变或多次循环预应变的强化作用，循环次数不高于步骤(4)试验中在
作用预应变下的最大硬化周期圈数。
本发明的有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优势：
1、适用性强，适宜于不同材质、不同结构的金属制品或构件，并适宜于金属的不同服役环境。
2、该方法适用于大多数金属及其构件，通过简单的若干母材试样的拉伸测试确定合适的应变率，并通过该应变率进行金属的预应变处理，可进行一次预应变或多次循环预应变的强化作用，同时材料仍能保持良好的塑性。
3、本发明提供一种通过率相关应变诱导金属高周疲劳强化的方法，与传统的加工硬化相比，着重探究了应变率在应变强化作用方面的机制，并方便进行应用推广。
4、方法操作简单，可以有效提高金属制品或构件的高周疲劳性能，通过试验确定适宜的硬化应变率，基于此应变率进行预应变或循环预应变处理，疲劳强化的机理主要是提升了金属晶粒内位错的平面滑移能力以及晶格的均匀变形能力，有助于延缓疲劳源的萌生；并在晶界、相界面位置形成完整、封闭、独立的位错结构，进一步阻碍了疲劳裂纹的扩展。
实施方式
本发明提供了一种通过率相关应变诱导金属高周疲劳强化的方法，采用本发明方法对不同服役环境下的不同材质、不同结构的金属制品或构件，进行率相关预应变或循环预应变强化处理后，金属的高周疲劳性能得到明显改善，具体步骤如下：
(1)将金属制品或构件的母材分别按照标准GB/T 228.1-2010和GB/T 3075-2008制备成若干标准圆棒拉伸试样和若干标准圆棒疲劳试样；
(2)通过温控箱模拟金属制品或构件的长期服役环境，按照标准GB/T 228.1-2010将若干拉伸试样在该温度环境下进行拉伸测试，确定该金属材料的上屈服强度(ReH)和下屈服强度(ReL)；
(3)将同材料的若干疲劳试样在该温度环境下分别进行预应变拉伸测试，拉伸应变率分别为10-5s-1、10-4s-1、10-3s-1、10-2s-1、10-1s-1，最大拉伸应力为该材料在该温度下的ReL，保压5s，随后立即卸载；
(4)将预应变后的试样进行循环加载试验，最大循环应力为(ReH+ReL)/2，最小循环应力为-[(ReH+ReL)/2-100MPa]，每组循环加载直至出现循环软化为止；
(5)确定循环硬化最久工况下的预应变拉伸加载的应变率，并定义为
将其作为该金属制品或构件在该温度下的率相关应变强化标准，进行下一步的一次预应变或多次循环预应变作用；
(6)通过上述步骤确定的该金属在该温度下的应变率
进行金属制品或构件的预应变处理，所测出的ReL应力大小作为最大加载应力，按照应力比为0的拉-拉加载方式周期加载于金属制品或构件上，进行一次预应变或多次循环预应变的强化作用，循环次数不高于步骤(4)试验中在
作用预应变下的最大硬化周期圈数。
为进一步理解本发明，下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。
附图说明
图1为本发明提供的通过率相关应变诱导金属高周疲劳强化的方法的工艺流程图；
图2为未进行预应变强化的50#钢原始试样的拉伸应力应变曲线；
图3为50#钢0～285MPa循环加载100圈后的拉伸应力应变曲线；
图4为50#钢无预应变与不同率相关预应变后的-235MPa～335MPa循环应变响应曲线；
图5为50#钢无预应变与不同率相关预应变后应力比0.1、应力幅402MPa的疲劳寿命；
图6为50#钢不同率相关预应变后的透射电镜图；
图7为50#钢无预应变与不同率相关预应变-恒幅疲劳断裂后的透射电镜图；
图8为50#钢无预应变与不同率相关预应变-恒幅疲劳裂纹源位置的电子背散射衍射图。
具体实施例：
通过率相关应变诱导金属高周疲劳强化的方法，本发明的一种具体实施方式是：
(1)将热轧后的50#钢锭切割，按照标准GB/T 228.1-2010和GB/T 3075-2008制备成若干标准圆棒拉伸试样和若干标准圆棒疲劳试样；
(2)通过温控箱模拟金属制品或构件的长期服役环境，按照标准GB/T 228.1-2010将若干拉伸试样在该温度环境下进行拉伸测试，确定该金属材料的上屈服强度(ReH)为385MPa，下屈服强度(ReL)为285MPa；
(3)将同材料的若干疲劳试样在该温度环境下分别进行预应变拉伸测试，拉伸应变率分别为10-5s-1、10-4s-1、10-3s-1、10-1s-1，最大拉伸应力为该材料在该温度下的ReL即285MPa，保压5s，随后立即卸载；
(4)将预应变后的试样进行循环加载试验，最大循环应力为(ReH+ReL)/2即335MPa，最小循环应力为-[(ReH+ReL)/2-100MPa]即-235MPa，每组循环加载直至出现循环软化为止，循环应变响应如图4；
(5)确定循环硬化最久工况下的预应变拉伸加载的应变率，并定义为
即10-4s-1，如图4，将其作为该金属制品或构件在该温度下的率相关应变强化标准；
(6)通过上述步骤确定的该金属50#钢在该温度下的应变率
即10-4s-1，进行金属制品或构件的预应变处理，所测出的ReL即285MPa作为最大加载应力，按照应力比为0的拉-拉加载方式周期加载于金属制品或构件上，进行一次预应变或多次循环预应变的强化作用，循环次数不高于步骤(4)试验中在
即10-4s-1作用预应变下的最大硬化周期圈数100。
(7)进行率相关一次预应变后的疲劳强化试验，如图5，在应力比为0.1、应力幅为402MPa的疲劳载荷下，与无预应变作用相比，率相关预应变均对金属有了不同程度的疲劳强化，其中应变率
即10-4s-1的预应变强化最大，显著提高了50#钢的疲劳寿命。
(8)循环强化100次后，拉伸试验结果(如图3)表明，金属保持了母材良好的塑性。
(9)强化机理：率相关的预应变作用，改变了金属内部的位错特征(如图6)，并在随后的疲劳加载中进一步演化，形成不同的位错结构(如图7)和晶格重构(如图8)。应变率
即10-4s-1的预应变下，提升了金属疲劳过程中晶粒内位错的平面滑移能力以及晶格的均匀变形能力，有助于延缓疲劳源的萌生；并在晶界、相界面位置形成完整、封闭、独立的位错结构，进一步阻碍了疲劳裂纹的扩展。
以上所述仅为本发明的优选实例，对本发明而言仅是说明性的，而非限制性的本领域普通技术人员理解，在本发明权利要求所限定的精神和范围内可以对其进行许多修改和调整，但都将落入本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种通过率相关应变诱导金属高周疲劳强化的方法，方法的实现如下：
(1)将金属制品或构件的母材分别按照标准GB/T 228.1-2010和GB/T 3075-2008制备成若干标准圆棒拉伸试样和若干标准圆棒疲劳试样；
(2)通过温控箱模拟金属制品或构件的长期服役环境，按照标准GB/T 228.1-2010将若干拉伸试样在该温度环境下进行拉伸测试，确定该金属材料的上屈服强度(ReH)和下屈服强度(ReL)；
(3)将同材料的若干疲劳试样在该温度环境下分别进行预应变拉伸测试，拉伸应变率分别为10-5s-1、10-4s-1、10-3s-1、10-2s-1、10-1s-1，最大拉伸应力为该材料在该温度下的ReL，保压5s，随后立即卸载；
(4)将预应变后的试样进行循环加载试验，最大循环应力为(ReH+ReL)/2，最小循环应力为-[(ReH+ReL)/2-100MPa]，每组循环加载直至出现循环软化为止；
(5)确定循环硬化最久工况下的预应变拉伸加载的应变率，并定义为
将其作为该金属制品或构件在该温度下的率相关应变强化标准，进行下一步的一次预应变或多次循环预应变作用；
(6)通过上述步骤确定的该金属在该温度下的应变率
进行金属制品或构件的预应变处理，所测出的ReL应力大小作为最大加载应力，按照应力比为0的拉-拉加载方式周期加载于金属制品或构件上，进行一次预应变或多次循环预应变的强化作用，循环次数不高于步骤(4)试验中在
作用预应变下的最大硬化周期圈数。
2.根据权利1所述的一种通过率相关应变诱导金属高周疲劳强化的方法，其特征在于：适用性强，适宜于不同材质、不同结构的金属制品或构件，并适宜于金属的不同服役环境。
3.根据权利1所述的一种通过率相关应变诱导金属高周疲劳强化的方法，其特征在于：该方法适用于大多数金属及其构件，通过简单的若干母材试样的拉伸测试确定合适的应变率，并通过该应变率进行金属的预应变处理，可进行一次预应变或多次循环预应变的强化作用，同时材料仍能保持良好的塑性。
4.根据权利1所述的一种通过率相关应变诱导金属高周疲劳强化的方法，其特征在于：与传统的加工硬化相比，着重探究了应变率在应变强化作用方面的机制，并方便进行应用推广。
5.根据权利1所述的一种通过率相关应变诱导金属高周疲劳强化的方法，其特征在于：方法操作简单，可以有效提高金属制品或构件的高周疲劳性能，通过试验确定适宜的硬化应变率，基于此应变率进行预应变或循环预应变处理，疲劳强化的机理主要是提升了金属晶粒内位错的平面滑移能力以及晶格的均匀变形能力，有助于延缓疲劳源的萌生；并在晶界、相界面位置形成完整、封闭、独立的位错结构，进一步阻碍了疲劳裂纹的扩展。
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