Pandey A V, Mariappan K, Karthik V, et al. Development of a novel approach to correlate small punch fatigue with uniaxial ratcheting fatigue[J]. International Journal of Fatigue, 2025, 190: 108585.
Pandey, Aishwary Vardhan, et al. "Development of a novel approach to correlate small punch fatigue with uniaxial ratcheting fatigue." International Journal of Fatigue 190 (2025): 108585.
Pandey, A. V., Mariappan, K., Karthik, V., Shankar, V., & Divakar, R. (2025). Development of a novel approach to correlate small punch fatigue with uniaxial ratcheting fatigue. International Journal of Fatigue, 190, 108585.
背景简介
在某些情况下，部件尺寸（例如机翼、发动机叶片、涡轮机、薄壁管）可能不允许使用标准的大块试样来评估疲劳性能。为了应对这些挑战，开发了非常规测试方法——小冲杆疲劳（SPF）测试方法测定材料的疲劳性能。以前的SPF工作侧重于比较和关联载荷控SPF与应变控LCF的结果，本研究考虑到SPF与棘轮现象的载荷和结果的相似性，旨在进一步了解SPF和棘轮之间的异同。分析和比较了不同载荷参数（平均值和振幅）对SS 316LN和改性9Cr-1Mo（P91）材料的室温棘轮疲劳寿命的影响。分析并比较了三种不同的寿命预测模型，即Gerber、Goodman和Smith-Watson-Topper（SWT）模型，针对平均和振幅载荷的不同组合，调查了SPF和棘轮的实验结果。最后，通过引入损伤参数进一步修改了最合适的模型，以在SPF和棘轮之间建立新的相关性。并介绍了使用SPF期间失效试样断裂表面的观察结果，并与循环变形行为相证实。
成果介绍
（1）分别进行单轴棘轮与SPF试验。循环硬化的SS 316LN和循环软化的P91钢被选择用于涵盖棘轮和小冲头疲劳中的一系列循环变形行为。图1说明了棘轮试验中的试样响应。比较图1a和图1c、图1b和图1d的结果，这些观察结果指出了棘轮和SPF之间的基本相似之处。
.png)
图1 （a和c）棘轮中应力-应变和 SPF 中力-位移响应的演变，以迟滞回线的形式；（b和d）棘轮和 SPF 期间应变和位移随着疲劳寿命的增加而累积
（2）应力与载荷幅值的影响。图2（a和b）说明了SS 316LN和P91的εr−Nf曲线在不同应力幅值下的曲线。单轴棘轮结果显示出在恒定平均应力下应力幅值的增加会导致疲劳寿命缩短。图3（a和b）的结果表现出在不同载荷幅度下进行的SPF试验显示出类似于单轴棘轮的行为。根据单轴棘轮和SPF试验结果，可以得出结论，SPF载荷期间，载荷幅值的增加与单轴棘轮下应力幅值的增加具有相同的效果。
.png)
图2 SS 316LN和P91在不同应力幅度下的棘轮响应：（a和b）应变积累响应；（c和d）中等疲劳寿命和相应疲劳寿命时的塑性应变范围
.png)
图3 SS 316LN和P91在不同载荷幅值下的小冲头疲劳响应：（a和b）位移累积响应；（c和d）中等疲劳寿命和相应疲劳寿命下的塑性位移范围
（3）平均应力/平均载荷的影响。与应力幅值变化对棘轮行为的影响不同，不同平均应力的影响在SS 316LN和P91钢中显示出不同的趋势。在不同平均应力下进行的SS 316LN和P91的棘轮测试结果如图4a和b所示。单轴棘轮显示出随着平均应力的增加，P91的棘轮寿命缩短，而SS 316LN的寿命增加。在SPF试验中，平均载荷的增加导致SS 316LN和P91钢的疲劳寿命延长，如图5（a和b）所示。在平均载荷较高的测试条件下，塑性位移范围的不断增加进一步支持了这一观察结果（图5c和d）。对于SS 316LN，这种行为类似于棘轮，但对于P91，棘轮和SPF表现出相反的趋势。
.png)
图4 SS 316LN和P91在不同平均应力下的棘轮响应：（a 和 b）应变积累响应；（c 和 d）中等疲劳寿命和相应疲劳寿命下的塑性应变范围
.png)
图5 SS 316LN和P91在不同平均负载下的小型冲头疲劳响应：（a 和 b）位移累积响应；（c 和 d）中等疲劳寿命和相应疲劳寿命时的塑性位移范围
（4）SP 测试中双轴载荷的影响。为了分析SP测试中双轴载荷的影响，进行了有限元分析（FEA）。如图6（a）所示，试样发生双轴拉伸，其中主要载荷分量（FXX）有助于凸起高度的增加，并且在表面裂纹张开中也起着重要作用。次载荷分量（FYY）与一次载荷正交，在试样变形期间保持凸起形状并延缓裂纹张开。基于上述分析，得出结论：在SPF期间，在恒定负载幅度下平均负载的增加会导致更高的双轴比。无论使用何种材料，SPF负载过程中较高的双轴性都会引入额外的硬化和裂纹开裂延迟。
.png)
图6 （a）通过有限元分析表示SPF测试期间单元上的双轴载荷；（b）SPF测试期间σXX和σYY的演变
（5）棘轮与SPF之间的相关性。为了考虑平均应力的影响，Gerber 模型、Goodman 模型和 Smith-Watson-Topper（SWT）模型等模型考虑了等效应力幅值（σeq）进行疲劳寿命估计。同时对SPF 测试结果采用相同的寿命预测模型，并对等效载荷幅值（Feq）进行疲劳寿命估计。与Goodman和SWT模型相比，Gerber模型显示出略高的寿命预测准确性（图7c和d）。使用Gerber模型，检查了棘轮和SPF之间的相关性。在这两种材料的棘轮和SPF之间没有发现相关性（图8）。这是因为Gerber模型虽然考虑了平均应力/平均负载效应，但无法捕捉SPF和棘轮之间棘轮行为的差异。为了解决这一局限性，作者提出了一个疲劳损伤参数(D)，即将Gerber模型的等效应力/载荷参数（σeq和Feq）与εr-N曲线和dSPF-N曲线的二级阶段的变形率（εr˙和dSPF˙）相乘，获得修改后的Gerber方程。修改后的Gerber方程可以得到SPF和棘轮之间的良好关联，如图9所示。
.png)
图7 SS 316LN和P91的小冲头疲劳结果的疲劳寿命预测模型：（a 和 b）不同寿命预测模型的Feq与Nf之间的关系；（c和d） 预测疲劳寿命和实际疲劳寿命的比较
.png)
图8 SS 316LN和P91的小冲头疲劳结果的疲劳寿命预测模型：（a 和 b）不同寿命预测模型的Feq与Nf之间的关系；（c 和d） 预测疲劳寿命和实际疲劳寿命的比较
.png)
图9 （a - b）通过建议的损伤参数获得的小型冲头疲劳和棘轮之间的改善相关性；（c）预测疲劳与通过建议的损伤参数获得的实际疲劳寿命的比较
致谢
作者衷心感谢IGCAR辐照后检查部和疲劳研究科同事在工作过程中提供的支持。本文第一作者：Aishwary Vardhan Pandey（Homi Bhabha National Institute），本文通讯作者：V. Karthik（Homi Bhabha National Institute）。
本期小编 闵 琳（整理）
董乃健（校对）
程 航（审核）
董乃健（发布）
|