【航空工业行业标准(HB)】 应变能时间相关疲劳寿命预测方法说明书

中华人民共和国航空航天工业部航空工业标准
HB/Z217-92
应变能时间相关疲劳
寿命预测方法说明书
1992—04-15发布
中华人民共和国航空航天工业部7992-10—07实施
中华人民共和国航空航天工业部航空工业标准应变能时间相关疲劳
寿命预测方法说明书
1主题内容与适用范围
HB/Z217-92
本说明书阐明了应变能时间相关疲劳裂纹起始寿命预测方法（以下简称应变能方法）的原理、寿命预测、数据获得、处理和表达。本说明书适用于预测高温金属结构材料的时间相关疲劳裂纹起始寿命。可用于材料研究和改进、质量控制和失效分析，为部件寿命预测系统提供材料的力学行为。2引用标准
GB6399金属材料轴向等幅低循环疲劳试验方法。HB5431金属材料力学性能数据表达准则。3术语、符号及定义
3.1术语、符号、定义和单位见表1。表！
时间相关疲
应变能方法
应变能区分
应变能频率
分离法
应力一应变
游后回线
材料在蝠变/疲劳，环境/疲劳二者交互作用或螨变/环境/疲劳三者交互作用下的力学行为、以拉伸非弹性应变能为自变量的TDF裂纹起始寿命预测方法。
以拉伸非弹性应变能分量为自变量的TDF裂纹起始寿命预测方法。
以拉伸非弹性应变能及其频率修正项为自变量的TDF裂纹起始寿命预测方法。
一次循环中的应力一应变回路
tmx与emin的保持时间均为零，应变速率≥0.0041/秒的应力一应变滞后回线。
航空航天工业部1992一04一15发布单位
1992-10—01实施
保持时间
总应变范围
最大应变
最小应变
应变比
最大应力
最小应力
应力范围
弹性应变范
总非弹性应
变范围
非弹性应变
范围分量
cp-x/o
pc-o/y
HB/Z217-92
续表1
&m保持时间为x分，mn保持时间为零，应变速率e≥0.0041/秒的应力一应变游后回线。emax保持时间为零，emm保持时间为y分，应变速率≥0.001/秒的应力一应变滞后回线，Em保持时间为x分，mln保持时间为y分，应变速率0.0041/秒的应力一应变滞后回线，疲劳试验中，控制的力学试验参量，例如载荷、应变、位移，在循环中保持恒定的时间，一次应变循环中最大和最小应变的代数差。一次应变循环中具有最大代数值的应变。拉伸应变为正，压缩应变为负
一次应变循环中具有最小代数值的应变。拉伸应变为正，压缩应变为负
一次应变循环中最小应变与最大应变的代数比值。
应力循环中具有最大代数值的应力，拉应力为正，压应力为负。
应力循环中具有最小代数值的应力。拉应力为正，压应力为负。
应力循环中最大应力和最小应力的代数差：Ag=0mm-Omin
应力范围与弹性模量之比值：
一次应变循环中总应变范围与弹性应变范围之差，或非弹性应变范围分量之和：AenNe,-Aee
AemAepp+1e+Aep+Ae
一次应变循环中拉仲与压缩均为塑性应变的应变范围。
拉伸松弛应
压缩松弛应
拉伸进程时
拉伸进程频
压缩进程时
压缩进程频
拉伸非弹性
应变能
形状系数
预测寿命
实测寿命
最大寿命比
标准差
HB/Z217-92
续表1
次应变循环中拉伸为蝠变应变，压缩为塑性应变的应变范围。
一次应变循环中拉伸为塑性应变，压缩为蜗变应变的应变范围。
一次应变循环中拉伸与压缩均为变应变的应变范围。
一次应变循环中最大拉伸应变保持恒定时试样上所减少的应力。
次应变循环中最小压缩应变保持恒定时试样上所增加的应力。
一次循环中拉仲进程所需时间。拉伸进程时间的倒数
一次循环中，压缩进程所需时间。压缩进程时间的倒数
4=1/re
AU=a(omx1en)
AUp=u(ommAEpp)
AU.=aomAE)
AUc=a(omx·Aee）
AU=α（Omm·Ae）
用应力与应变之积度量应变能时所用修正系数。时间相关疲劳裂纹起始寿命预测值。时间相关疲劳裂纹起始寿命实测值。预测寿命，实测寿命两者之比不小于1的最大值。实测寿命分散程度的度量。
pe-0/y
Ae=ab-cd
cc-x/y
图1TDF应力一应变满后通线
4方法原理
图2拉伸进程时间与压缩进程时间由热力学第一定律知，材料因受外力作用产生变形而消耗能量。这些能量一部分转变为可恢复的弹性应变能，另一部分转变为不可恢复的热能和非弹性应变能。当材料承受大的循环变形时，每个循环所消耗的拉伸非弹性应变能是控制材料低循环疲劳寿命的主要参量；即裂纹张开时的拉伸非弹性应变能促使裂纹扩展引起材料疲劳损伤。每循环的拉伸非弹性应变能（AU，）可用拉伸滞后回线面积（见图3）度量如下AU
ade.-anuudea
根据以上论述，本说明书提出如下两种应变能TDF寿命预测方法AU
图3拉伸非弹性应变能
图4拉伸非弹性应变能分量
4.1SEP法
HB/Z217--92
该方法认为控制时间相关疲芳损伤的主要参量是拉伸非弹性应变能分量AU，、AUep、AU、AU。等。其中AU。与AU不会同时存在于实际的应力-一应变滞后回线中，非弹性应变能分量的区分见图4。
4.2SEFS法
该方法认为时间相关疲劳损伤主要受材料的拉伸非弹性应变能.1U、拉伸进程频率u和压、拉进程频率比(4/u)等参量的控制。5寿命预测
5.1SEP法
按6.3节图5所示加载波形进行TDF试验，建立下列SEP寿命预测基本方程5.1.1
NA(aAe)n
N=A.(aNe)
N,.-A,anaAe,)e
N,=A,(anarMe,)a
式中的A、B,(ij分别表示pp、cc、cp、pc）是由试验确定的材料常数（见7.3节）；非弹性应变范围分量Ae的计算方法见7.2节；N为pp-%试验的实测寿命；N，是根据ce-x/y.cp一x/o、pc一o/y试验的实测寿命，再各自按所选用的损伤法则进行计算得到的对应于Ae的寿命。按线损伤法则计算如下：
按交互作用损伤法则计算如下：N
式中：
HB/Z217-92
按（2）式计算。
5.1.2按线性损伤法则计算预测寿命N，如（16）式，或按交互作用损伤法则计算N。如（17）N.
5.2SEFS法
通过TDF试验建立SEFS寿命预测方程，如下式：F,
N-C(auMe)u(o/u)
式中：C、B、m、k——材料常数6
试验过程
试样及其制备
按GB6399-86第4节执行。
6.2试验设备
按GB6399-86第5节执行。
6.3试验波形
TDF试验按图5所示加载波形进行试验6.4试验步骤
按GB6399-86第6节及附录E执行。(16)
7数据获得及处理
7.1原始数据的获得
HB/Z217-92
图5TDF试验波形
TDF试验过程中，要记录的原始数据是在规定试验参量（总应变范围、应变速率、最大应变保持时间、温度）的控制下，随循环而变化的m，Cmie、C、e和实测寿命Nr。这些数据可从试验系统的电测仪器上直接测量，如图6通过x一y记录仪得到的cc一x/y应力一时间关系图线所示。此外，这些数据也可由记录应力一应变滞后过线得到。8
HB/Z217-92
图6ce—x/y应力-时问关系
然后，选用半实测寿命N/2时的maxOmlOuOer计算AAen、Ap、A、Ae、A等有关数据。
7.2按下列各式计算非弹性应变范围分量：Aee=O/B（a≤a时）
a/E（a≤a时）
Me,=Ou/R
Ne,,=Ae,Me,-ewAerNe
7.3计算TDF寿命预测方程常数项(19)
7.3.1根据SEP方程（见5.1），对一系列Clog（0m、e）、logN数据进行二元回归分析（ij分别代表pp、cc、pc和cp）,即可求得与材料有关的常数项Au和By。7.3.2根据SEFS方程（见5.2），对一系列CIog（omax、Ae）、logu、log（u/u）、logN数据进行多元回归分析，即可求得与材料有关的常数项C、β、m和k。8计算最大寿命比Xx与标准差S以评定寿命预测能力。8.1
按下式计算Xmax：
Xmax=（N,/N,)..r（N,>N,时)
=(N,/N.).(N.>N,时)
式中：i=l~n;
一试验试样总个数。
8.2按下式计算s
式中=ln;
试验试样总个数。
9数据表达
TDF试验后，应提供如下数据
HB/Z217-92
9.1列表给出N，值及N)/2时的下列数据：AetAemAeppAepeAeepvAeeOmaxCnino9.2处理出SEP或SEFS寿命预测方程，并提供SEP寿命曲线。9.3根据GB6399和HB543两个标准的要求，提供At./2～2Ns曲线，1e,/2~2Ns曲线和循环应力一应变曲线。同时给出此三条曲线的数学表达式。9.4数据表达应说明以下内容：
&.材料历史：牌号、品种、规格、生产厂、炉批号和化学成分：b.试样：取样方向、形状和尺寸、表面状态、热处理制度及常规力学性能：C.试验条件：控制方式、试验温度及环境、试验类型、保持时间、应变比及失效标准等。9.5数据表达举例
a.TDF试验数据表达格式见表2
b.SEP寿命曲线及寿命预测方程表达见图7c低循环疲劳曲线表达见图8：
d.循环应力一应变曲线表达见图9。表2TDF试验数据表达格式
表【号工材料牌号时问相关疲劳数据材料品种
取样方向
应变化
控制方式
热处理制度
试样号
试验类型
定向凝固板坏
轴向应变
材料规格
试样尺寸
试验温度
失效标准
140×75×16mm
760℃
1210℃，2h，空冷+870℃.32h，空冷Aep
试样号
744--1
749—4
试验类型
PC-0/1
PC-1/0
HB/Z217-92
续表2
—843