专利名称：预测铝合金在多轴加载下的疲劳寿命的系统和方法
技术领域：
本发明总体涉及预测铝合金的疲劳寿命，且更具体地涉及用于预测铝合金在多轴 比例性和非比例性加载的至少一种情况下的疲劳寿命的系统、方法和制品。
背景技术：
传统的铝合金、特别是铝铸件的疲劳寿命预测已经面临挑战，这不仅是由于微观 结构的复杂性，而且还由于缺陷数量的不确定性所致。在多轴且特别是非比例性加载下，缺 陷和微观结构不连续性常常在裂纹成形和疲劳性能上起到重要作用。相信，在不连续处附 近存在的缺陷和位错积累和堆叠可归因于局部应力集中和由此导致的疲劳裂纹形成和延 展。在不连续处附近的位错积累和堆叠的程度不仅可取决于铝合金中所呈现的应力状态， 而且还可取决于加载途径。研究表明，诸如6063和A356之类的铝合金在循环非比例性加 载下的疲劳寿命，通常比在具有相同的等同应变量的比例性加载下的疲劳寿命短得多。较 短的疲劳寿命可能是由于在非比例性加载过程中最大剪切面连续旋转和变化所致。结果， 在非比例性加载过程中，更多数量的位错在不连续处附近积累和堆叠，从而加速疲劳裂纹 形成和延展，并因而使铝合金的疲劳寿命减短。这样，基于如前所述，需要准确预测铝合金 在多轴加载下的疲劳寿命的系统、方法和制品。

发明内容
针对上述背景技术，本发明的实施例提供预测铝合金疲劳寿命的系统、方法和制 品。更具体地，各实施例总体上涉及采用基于微观力学的疲劳寿命模型预测铝合金疲劳寿 命的系统、方法和制品。这些疲劳寿命模型可处理与铝合金以及铝合金中所呈现应力状态 相关的信息以预测铝合金的疲劳寿命。由疲劳寿命模型处理的信息总体上可归因于循环多 轴非比例性加载，并可包括但不仅限于以下中的至少一种铝合金的临界剪切面，铝合金的 损伤因子，铝合金的硬化因子，由于在多滑移系统中的位错相互作用所致的额外硬化因子， 铝合金的微观结构特性值以及热物理和机械性能。虽然为了简化目的，本发明的公开内容 主要仅指非比例性加载，但应理解的是，本公开内容总体上以相同程度同样地涉及比例性 加载。根据一个实施例，一种用于预测铝合金在循环多轴加载下的疲劳寿命的系统包 括信息输入端，信息输出端，处理单元，和计算机可读介质。所述信息输入端被设置为接收 以下中的至少一种与所述铝合金相关的信息，和与所述铝合金中所呈现的应力状态相关 的信息和所述铝合金的微观结构特性以及热物理和机械性能。所述信息输出端被设置为传 送与所述铝合金相关的信息。所述计算机可读介质能够与至少一个基于微观力学的疲劳寿 命模型协作，其中，所述疲劳寿命模型通过处理至少一部分所接收的信息预测所述铝合金 的疲劳寿命。所接收的信息包括以下中的至少一种所述铝合金的临界剪切面，其中剪切应 变量达到其最大值；所述铝合金的损伤因子，所述损伤因子由多个损伤因子参数中的至少 一个限定，所述多个损伤因子参数包括最大剪切应变量，法向应变量，最大法向应变量，剪切应力量，和法向应力量；所述铝合金的硬化因子，所述硬化因子由多个单轴循环硬化因子 参数中的至少一个限定，所述多个单轴循环硬化因子参数包括疲劳强度系数，疲劳延性系 数，疲劳强度指数，和疲劳延性指数，其中，所述单轴循环硬化因子参数与所述铝合金中的 缺陷概率和微观结构特性相关；额外硬化因子，所述额外硬化因子由于多滑移系统中的位 错相互作用所致，所述额外硬化因子由额外硬化系数、扭转硬化指数和非比例性值中的至 少一种限定，其中，所述额外硬化系数、扭转硬化指数和非比例性值中的至少一种与所述铝 合金中的微观结构概率和位错结构相关；和所述铝合金的微观结构特性以及热物理和机械 性能，其由以下中的至少一种限定缺陷尺寸，缺陷体积分数，二次枝晶臂间距(SDAS)，晶 粒尺寸，第二相颗粒尺寸，第二相颗粒的纵横比，第二相颗粒的体积分数，剪切模量值，泊松 比，和杨氏模量值。可选地，所述单轴循环硬化因子参数的疲劳强度系数与所述铝合金中的缺 陷尺寸相关。基于线弹性断裂力学(LEFM)，在单轴加载下的应力量与疲劳寿命之间的关系 可被表示为 其中， 是缺陷(例如，孔或氧化物夹杂物)的尺寸；m是疲劳裂纹生长Paris定 律指数，对于铸造铝合金而言，m可从约3变化至约10 ；
是几何校正因子。对表面缺陷(裂
纹)和内部缺陷(裂缝)而言，Y(ai)可分别取值为约0.65和约0.5。UE(ai)是裂纹闭合因 子。如果R = _l，则值UK(ai) =0.5可简单地假定当法向应力变为拉伸力时，裂纹完全打 开。在高循环疲劳中，应力量与单轴疲劳寿命之间的关系也可表示为
(2)其中，k是疲劳强度指数。通过比较公式(1)和(2)，疲劳强度系数0f'是缺陷 尺寸(％)的函数，并被表示为
(3)疲劳强度指数k是疲劳裂纹生长Paris定律指数的函数，并被表示为a^zFfl/ m)。而且，单轴循环硬化参数的疲劳延性系数ef可被表示为
⑷其中，k'和n'分别是循环强度系数和循环应变硬化指数；n是拉伸应变硬化指 数，其可与以下中的至少一种相关铝合金中的缺陷体积分数，第二相颗粒体积分数，二次 枝晶臂间距((SDAS)，微观结构细度测量值)。并可被表示为 其中，o YS是屈服强度；(^、(2、(3、(；和L是常数；e *是塑性松弛开始时的应变，其 对于铸造Al-Si-Mg合金而言可由经验得出约为0. 007。fp和fd分别是第二相颗粒体积分 数和缺陷体积分数；以及、是二次枝晶臂间距(SDAS)。进一步地，单轴循环硬化参数的疲
劳延性指数C(l也可与拉伸应变硬化指数n相关，并可被表示为
。拉伸应
变硬化指数n可通过公式(5)计算出。进一步可选地，疲劳寿命模型可包括低循环多轴疲劳寿命模型。这种低循环多轴 疲劳寿命模型可被表示为 其中，Nf是所述铝合金的疲劳寿命；A 是在所述临界剪切面上的最大剪切应 变量；△ t是在所述临界剪切面上的剪切应力量；八en是在所述临界剪切面上的法向应 变量；△ 0 是在所述临界剪切面上的法向应力量；ve和vp分别是弹性和塑性泊松比；E 是杨氏模量值；是疲劳强度系数；是疲劳延性系数；以及h和C(l分别是疲劳强度 指数和疲劳延性指数。所接收的与铝合金相关的信息可进一步包括导致铝合金在循环多轴 非比例性加载下发生额外硬化的位错迁移率。由于循环多轴非比例性加载所激发的多滑移 系统中的位错相互作用所致的所述额外硬化因子，可由额外硬化系数、由扭转所致的硬化 指数和非比例性值中的至少一种限定。利用额外硬化因子，于是可仅使用临界剪切面上的 最大剪切应变量△ 和临界剪切面上的法向应变量△ %预测低循环疲劳寿命。在此， 低循环多轴疲劳寿命模型可被表示为 其中，、是在非比例性加载下的额外硬化系数，对于铸造铝合金而言，k可在约
0. 1至约0. 15之间变化； 是在扭转加载下的硬化指数，对于铸造铝合金而言， 可约等于
0. 2 0. 25 ；以及①是非比例性值。当预测多轴比例性加载下的疲劳寿命时，非比例性值
①等于零，这是因为非比例性是不需关注的。不过，当预测多轴非比例性加载下的疲劳寿命
时，非比例性值①可被表示为
其中，K。是常数，^^、元、分别是所述铝合金在比例性、圆形、和其它非比 例性加载途径下的位错的统计平均自由滑移距离。进一步可选地，疲劳寿命模型可包括高循环多轴疲劳寿命模型，这种高循环多轴 疲劳寿命模型可被表示为
其中，△εmax _是临界剪切面上的最大法向应变量。同样，当预测多轴比例性加载下 的疲劳寿命时，非比例性值①等于零，这是因为非比例性是不需关注的。不过，当预测多轴 非比例性加载下的疲劳寿命时，非比例性值①可根据上述公式(8)被表示和确定。根据另一实施例，预测铝合金在循环多轴加载下的疲劳寿命的方法包括设置基 于计算机的系统以预测疲劳寿命。所述基于计算机的系统包括信息输入端，信息输出端， 信息存储器和指令存放存储器中的至少一种，中心处理单元，和计算机可读程序代码装置， 该装置用于处理至少一部分由信息输入端所接收到的信息。所述方法进一步包括通过所 述基于计算机的系统根据所述计算机可读程序代码装置的处理预测所述铝合金的疲劳寿 命。根据另一实施例，一种用于预测铝合金在循环多轴加载下的疲劳寿命的制品包 括用于预测疲劳寿命的基于计算机的系统。所述基于计算机的系统包括信息输入端，信 息输出端，信息存储器和指令存放存储器中的至少一种，中心处理单元，和计算机可读程序 代码装置，该装置用于处理至少一部分由信息输入端所接收到的信息。所述基于计算机的 系统根据所述计算机可读程序代码装置的处理预测所述铝合金的疲劳寿命。技术方案1 一种用于预测铝合金在循环多轴加载下的疲劳寿命的系统，所述系 统包括信息输入端，其设置为接收以下中的至少一种与所述铝合金相关的信息，和与所 述铝合金中所呈现的应力状态相关的信息，和所述铝合金的微观结构特性以及热物理和机 械性能；信息输出端，其设置为传送与所述铝合金相关的信息；处理单元；和与至少一个基 于微观力学的疲劳寿命模型协作的计算机可读介质，其中，所述疲劳寿命模型通过处理至 少部分所接收的信息来预测所述铝合金的疲劳寿命，所接收的信息包括以下中的至少一 种所述铝合金的临界剪切面，其中剪切应变量达到其最大值；所述铝合金的损伤因子，所 述损伤因子由多个损伤因子参数中的至少一个限定，所述损伤因子参数包括最大剪切应 变量，法向应变量，最大法向应变量，剪切应力量，和法向应力量；所述铝合金的硬化因子， 所述硬化因子由多个单轴循环硬化因子参数中的至少一个限定，所述单轴循环硬化因子参 数包括疲劳强度系数，疲劳延性系数，疲劳强度指数，和疲劳延性指数，其中，所述单轴循 环硬化因子参数与所述铝合金中的缺陷概率和微观结构特性相关；额外硬化因子，所述额 外硬化因子由于多滑移系统中的位错相互作用所致，所述额外硬化因子由额外硬化系数、 扭转硬化指数和非比例性值中的至少一种限定，其中，所述额外硬化系数、扭转硬化指数和 非比例性值中的至少一种与所述铝合金中的微观结构概率和位错结构相关；和所述铝合金 的微观结构特性以及热物理和机械性能，由以下中的至少一种限定缺陷尺寸，缺陷体积分 数，二次枝晶臂间距，晶粒尺寸，第二相颗粒尺寸，第二相颗粒的纵横比，第二相颗粒的体积 分数，剪切模量值，泊松比，和杨氏模量值。技术方案2 如技术方案1所述的系统，其中，所述单轴循环硬化因子参数的疲劳强度系数与所述铝合金中的缺陷尺寸％相关，并被表示为 其中，m是疲劳裂纹生长Paris定律指数。技术方案3 如技术方案1所述的系统，其中，所述单轴循环硬化因子参数的疲劳 延性系数与拉伸应变硬化指数n相关，并被表示为 技术方案4 如技术方案3所述的系统，其中，所述拉伸应变硬化指数n与以下中 的至少一种相关所述铝合金的缺陷体积分数，第二相颗粒体积分数，二次枝晶臂间距，和 屈服强度，并被表示为 其中，(^是屈服强度…工乂工和！^是常数，是塑性松弛开始时的应变，fp 和fd分别是第二相颗粒体积分数和缺陷体积分数，、是二次枝晶臂间距。技术方案5 如技术方案1所述的系统，其中，所述单轴循环硬化因子参数的疲劳 强度指数k与疲劳裂纹生长Paris定律指数m相关，并被表示为b0=F(-1/m)技术方案6 如技术方案1所述的系统，其中，所述单轴循环硬化因子参数的疲劳 延性指数C(l与拉伸应变硬化指数n相关，并被表示为 技术方案7 如技术方案1所述的系统，其中所述铝合金的微观结构特性通过使用与铸造、固化和热处理工艺的多尺度数学建 模相关的一个或多个参数而被提供，所述微观结构特性的平均值基于所述铝合金的铸造、固化和热处理工艺参数的标 定基线而计算出，以及所述微观结构特性的概率取决于所述铝合金的铸造、固化和热处理工艺参数的统 计学变化。技术方案8 如技术方案1所述的系统，其中，铸造缺陷或微观结构特性的尺寸分 布通过利用累积分布函数的极值统计而确定，所述累积分布函数被表示为
其中，X是铸造缺陷或微观结构特性的特性参数，(和5是极值统计分布参数。
技术方案9 如技术方案1所述的系统，其中，所述疲劳寿命模型包括低循环多轴 疲劳寿命模型。技术方案10 如技术方案9所述的系统，其中，所述低循环多轴疲劳寿命模型被表 示为 其中，Nf是所述铝合金的疲劳寿命；A 是在所述临界剪切面上的最大剪切应 变量；△ t是在所述临界剪切面上的剪切应力量；八en是在所述临界剪切面上的法向应 变量；△ 0 是在所述临界剪切面上的法向应力量；ve和vp分别是弹性和塑性泊松比；E 是杨氏模量值；是疲劳强度系数；是疲劳延性系数；以及k和C(l分别是疲劳强度 指数和疲劳延性指数。技术方案11 如技术方案9所述的系统，其中，所述低循环多轴疲劳寿命模型被表 示为 其中，Nf是材料的疲劳寿命；A 是在所述临界剪切面上的最大剪切应变量; A %是在所述临界剪切面上的法向应变量；和vp分别是弹性和塑性泊松比；E是杨氏 模量值；o f ‘是疲劳强度系数；e f ‘是疲劳延性系数；k和C(l分别是疲劳强度指数和疲劳 延性指数；k是在非比例性加载下的额外硬化系数； 是在扭转加载下的硬化指数；以及 O是非比例性值。技术方案12 如技术方案11所述的系统，其中，所述低循环多轴疲劳寿命模型预 测所述铝合金在多轴比例性加载下的疲劳寿命，所述非比例性值①等于零。技术方案13 如技术方案11所述的系统，其中，所述低循环多轴疲劳寿命模型预 测所述铝合金在多轴非比例性加载下的疲劳寿命，所述非比例性值①被表示为 其中，K。是常数，、I、^^分别是所述铝合金在比例性、圆形、和非比例性 加载途径下的位错的统计平均自由滑移距离。技术方案14 如技术方案11所述的系统，其中，所述额外硬化系数k在约0. 1至 约0. 15之间变化，所述扭转下的硬化指数 在约0. 2至约0. 25之间变化。技术方案15 如技术方案1所述的系统，其中，所述疲劳寿命模型包括高循环多轴 疲劳寿命模型。技术方案16 如技术方案15所述的系统，其中，所述高循环多轴疲劳寿命模型被
表示为 其中，Nf是所述铝合金的疲劳寿命；A 是在所述临界剪切面上的最大剪切应 变量；△ ￡ _是在所述临界剪切面上的最大法向应变量；v e和v p分别是弹性和塑性泊松 比；E是杨氏模量值；of‘是疲劳强度系数；是疲劳延性系数；h和C(l分别是疲劳强度 指数和疲劳延性指数；k是在非比例性加载下的额外硬化系数； 是在扭转加载下的硬化 指数；①是非比例性值。技术方案17 如技术方案16所述的系统，其中，所述高循环多轴疲劳寿命模型预 测所述铝合金在多轴比例性加载下的疲劳寿命，所述非比例性值①等于零。技术方案18 如技术方案16所述的系统，其中，所述高循环多轴疲劳寿命模型预 测所述铝合金在多轴非比例性加载下的疲劳寿命，所述非比例性值①被表示为 其中，K。是常数，及Sp、Sc.snp分别是所述铝合金在比例性、圆形、和其它非比 例性加载途径下的位错的统计平均自由滑移距离。技术方案19 一种预测铝合金在循环多轴加载下的疲劳寿命的方法，其中所述方 法包括设置基于计算机的系统以预测疲劳寿命，所述基于计算机的系统包括信息输入端，其设置为接收以下中的至少一种与所述铝合金相关的信息，和与所 述铝合金中所呈现的应力状态相关的信息和所述铝合金的微观结构特性以及热物理和机 械性能；信息输出端，其设置为传送与所述铝合金相关的信息；信息存储器和指令存放存储器中的至少一种；中心处理单元；和计算机可读程序代码装置，用于处理至少一部分所接收到的与铝合金相关的信 息，其中所接收到的与铝合金相关的信息包括以下中的至少一种所述铝合金的临界剪切面，其中剪切应变量达到其最大值；所述铝合金的损伤因子，所述损伤因子可归因于循环多轴加载，所述损伤因子由 多个损伤因子参数中的至少一个限定，所述多个损伤因子参数包括最大剪切应变量，法向 应变量，最大法向应变量，剪切应力量，和法向应力量；所述铝合金的硬化因子，所述硬化因子可归因于循环多轴加载，所述硬化因子由 多个单轴循环硬化因子参数中的至少一个限定，所述多个单轴循环硬化因子参数包括疲 劳强度系数，疲劳延性系数，疲劳强度指数，和疲劳延性指数；额外硬化因子，所述额外硬化因子由于循环多轴非比例性加载所激发的多滑移系 统中的位错相互作用所致，所述额外硬化因子由额外硬化系数、扭转硬化指数和非比例性 值限定，其中，所述额外硬化因子参数与所述铝合金中的微观结构概率和位错结构相关；和
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所述铝合金的特性微观结构特征以及热物理和机械性能，由以下中的至少一种限 定缺陷尺寸，缺陷体积分数，二次枝晶臂间距，晶粒尺寸，第二相颗粒尺寸，第二相颗粒的 纵横比，第二相颗粒的体积分数，剪切模量值，泊松比，和杨氏模量值；和通过所述基于计算 机的系统根据所述计算机可读程序代码装置的处理预测所述铝合金的疲劳寿命。技术方案20 如技术方案19所述的方法，其中，所述硬化因子的单轴循环硬化因 子参数与所述铝合金中的缺陷概率和微观结构特性相关。技术方案21 如技术方案20所述的方法，其中所述单轴循环硬化因子参数的疲劳强度系数与所述铝合金中的缺陷尺寸 相关，并被表示为 其中，m是疲劳裂纹生长Paris定律指数；所述单轴循环硬化因子参数的疲劳延性系数￡ 被表示为
与拉伸应变硬化指数n相关，并 所述拉伸应变硬化指数n与以下参数相关所述铝合金的缺陷体积分数，第二相 颗粒体积分数，二次枝晶臂间距，和屈服强度 其中，(^是屈服强度，‘‘^仏和！^是常数，广是塑性松弛开始时的应变，fp 和fd分别是第二相颗粒体积分数和缺陷体积分数，、是二次枝晶臂间距(SDAS)；所述单轴循环硬化因子参数的疲劳强度指数k与疲劳裂纹生长Paris定律指数m 相关，并被表示为b0 = F(_l/m)；禾口所述单轴循环硬化因子参数的疲劳延性指数C(l与拉伸应变硬化指数n相关，并被 表示为 技术方案22 如技术方案19所述的方法，其中，所述疲劳寿命模型包括低循环多 轴疲劳寿命模型，其被表示为
其中，Nf是所述铝合金的疲劳寿命；△ 是在所述临界剪切面上的最大剪切应变量；△ %是在所述临界剪切面上的法向应变量；ve和vp分别是弹性和塑性泊松比；E 是杨氏模量值；k是在非比例性加载下的额外硬化系数；％是在扭转加载下的硬化指数；① 是非比例性值。技术方案23 如技术方案19所述的方法，其中，所述疲劳寿命模型包括高循环多 轴疲劳寿命模型，其被表示为 其中，Nf是所述铝合金的疲劳寿命；A 是在所述临界剪切面上的最大剪切应 变量；△ ￡ _是在所述临界剪切面上的最大法向应变量；v e和v p分别是弹性和塑性泊松 比；E是杨氏模量值；k是在非比例性加载下的额外硬化系数；％是在扭转加载下的硬化指 数沖是非比例性值。技术方案24 —种用于预测铝合金在循环多轴加载下的疲劳寿命的制品，所述制 品包括用于预测疲劳寿命的基于计算机的系统，所述基于计算机的系统包括信息输入端，其设置为接收以下中的至少一种与所述铝合金相关的信息，和与所 述铝合金中所呈现的应力状态相关的信息和所述铝合金的微观结构特性以及热物理和机 械性能；信息输出端，其设置为传送与所述铝合金相关的信息；信息存储器和指令存放存储器中的至少一种；中心处理单元；和计算机可读程序代码装置，用于处理至少一部分所接收到的信息，其中所接收到 的信息包括以下中的至少一种所述铝合金的临界剪切面，其中剪切应变量达到其最大值；所述铝合金的损伤因子，所述损伤因子可归因于循环多轴加载，所述损伤因子由 多个损伤因子参数中的至少一个限定，所述多个损伤因子参数包括最大剪切应变量，法向 应变量，最大法向应变量，剪切应力量，和法向应力量；所述铝合金的硬化因子，所述硬化因子可归因于循环多轴加载，所述硬化因子由 多个单轴循环硬化因子参数中的至少一个限定，所述多个单轴循环硬化因子参数包括疲 劳强度系数，疲劳延性系数，疲劳强度指数，和疲劳延性指数；额外硬化因子，所述额外硬化因子由于循环多轴非比例性加载所激发的多滑移系 统中的位错相互作用所致，所述额外硬化因子由额外硬化系数、扭转硬化指数和非比例性 值限定，其中，所述额外硬化因子参数与所述铝合金中的微观结构概率和位错结构相关；和所述铝合金的特性微观结构特征以及热物理和机械性能，其由以下参数限定缺 陷尺寸，缺陷体积分数，二次枝晶臂间距(SDAS)，晶粒尺寸，第二相颗粒尺寸，第二相颗粒的 纵横比，第二相颗粒的体积分数，剪切模量值，泊松比，和杨氏模量值；其中，所述基于计算机的系统根据所述计算机可读程序代码装置的处理预测所述 铝合金的疲劳寿命。技术方案25 如技术方案24所述的制品，其中，所述硬化因子的单轴循环硬化因 子参数与所述铝合金中的缺陷概率和微观结构特性相关。
技术方案26 如技术方案24所述的制品，其中，所述计算机可读程序代码装置包
括低循环多轴疲劳寿命模型，其被表示为 其中，Nf是材料的疲劳寿命；A 是在所述临界剪切面上的最大剪切应变量； A %是在所述临界剪切面上的法向应变量；和vp分别是弹性和塑性泊松比；E是杨氏 模量值；o f ‘是疲劳强度系数；e f ‘是疲劳延性系数；k和C(l分别是疲劳强度指数和疲劳 延性指数；k是在非比例性加载下的额外硬化系数；％是在扭转加载下的硬化指数；①是 非比例性值。技术方案27 如技术方案24所述的制品，其中，所述计算机可读程序代码装置包
括高循环多轴疲劳寿命模型，其被表示为 其中，Nf是材料的疲劳寿命；A 是在所述临界剪切面上的最大剪切应变量； A 是在所述临界剪切面上的最大法向应变量；ve和vp分别是弹性和塑性泊松比；E 是杨氏模量值；o f ‘是疲劳强度系数；￡ f'是疲劳延性系数；k和C(l分别是疲劳强度指数 和疲劳延性指数；k是在非比例性加载下的额外硬化系数；％是在扭转加载下的硬化指数； O是非比例性值。


通过结合附图进行阅读，以下对具体实施例的详细描述能够被更好地理解，其中 相同的结构以相同的附图标记表示，其中图1列出在不同加载途径下拉伸应力与扭转应力之间的示例性关系及其相应加 载波形；图2A是铝合金在比例性加载下的临界面上的应力和应变状态的例示图线；图2B是铝合金在非比例性加载下的临界面上的应力和应变状态的例示图线；图3是铝合金在非比例性加载下的被观测到的额外硬化的例示图线；图4是根据本发明一个实施例的预测铝合金疲劳寿命的系统的结构图；图5是在被观测到的铸造铝合金的低循环多轴疲劳寿命与根据本发明另一实施 例预测到的相同合金的低循环多轴疲劳寿命之间的比较例示图线；图6是在被观测到的铸造铝合金的低循环多轴疲劳寿命与根据本发明另一实施 例预测到的相同合金的低循环多轴疲劳寿命之间的比较例示图线；图7是在被观测到的铝合金的高循环多轴疲劳寿命与根据本发明另一实施例预 测到的相同合金的高循环多轴疲劳寿命之间的比较例示图线；图8是在被观测到的热等静压铸造铝合金的高循环多轴疲劳寿命与根据本发明 另一实施例预测到的相同合金的高循环多轴疲劳寿命之间的比较例示图线；图中所示实施例本质上是示例性的而不是用于限制由权利要求书限定的实施例。而且，通过以下的详细描述，附图和实施例中的各方面将会更明显且更易于被全面理解。
具体实施例方式本发明的实施例总体涉及用于预测铝合金在循环多轴加载下的疲劳寿命的系统、 方法和制品。如前所述，在多轴的比例性和非比例性加载中的至少一种情况下的疲劳寿命 可使用本发明的实施例预测。这样，可想到的是，这些实施例可操作以预测铝合金在多轴比 例性或非比例性加载中的至少一种情况下的疲劳寿命。所述实施例分别包括和/或利用至少一种(但不限于一种)基于微观力学的疲劳 寿命模型，以处理以下中的至少一种与铝合金相关的信息，和与铝合金中所呈现应力状态 相关的信息，以预测铝合金的疲劳寿命。在此使用的“铝合金”不仅是指合金本身，而且还指 至少部分地由铝合金构造的任意部件、产品和/或组件。进一步地，在此使用的“微观力学” 一般是指在累积构成合金或复合物的一种或多种单独相的水平上对多组分(化学元素)合 金和/或材料的分析。这样，当预测铝合金在多轴加载下的疲劳寿命时，在此描述的基于微 观力学的疲劳寿命模型可顾及铝合金中的缺陷概率和微观结构特性。进一步地，“比例性” 一般是指，当铝合金在多轴加载下的主应变轴线大致恒定不 变时的加载途径；在此使用的“非比例性”一般是指，当铝合金在循环多轴加载过程中的主 应变轴线连续旋转变化并因而不具有比例性时的加载途径。非比例性加载的示例是承受交 替拉伸和扭转加载循环的铝合金棒。在此示例中，在拉伸循环与扭转循环之间，主应变轴线 旋转约45°。异相加载是一种形式的非比例性加载，并用于表示具有正弦或三角波形的循 环加载历史和在载荷之间的相差。图1列出在不同加载途径下拉伸应力与扭转应力之间的 示例性关系及其相应加载波形。图2以图线例示出承受A e eq/2 = 0. 22%的等同应变量的A356铝合金的临界面 上的应力和应变状态。在图2A和2B中所示的曲线中，在临界面(例如垂直于薄壁管样本的 柱形表面)上的相应的剪切和法向应力和应变量显示为临界面与柱形样本轴线之间角度 的函数。在比例性加载(图2A)下，在临界面上的剪切应力量A X和剪切应变量A Y与 法向应力量A o和法向应变量A e异相。这样，例如，如图2A中所示，当法向应力量A o 和法向应变量△ e处于其相应的最大值时，剪切应力量△ T和剪切应变量△、不处于其 相应的最大值，且实际上通常处于或接近于其相应的最小值。这样，还可知，当剪切应力量 A X和剪切应变量A y处于其相应的最大值时，法向应力量A o和法向应变量A e不处 于其相应的最大值，且实际上通常处于或接近于其相应的最小值。不过，在非比例性加载(图2B)下，临界面上的剪切应力量A X和剪切应变量 A Y同相，而且与法向应力量A o和法向应变量A e同时发生或基本同时发生。这样， 当法向应力量△ o和法向应变量△ ￡处于其相应最大值时，剪切应力量△ T和剪切应变 量A Y处于或接近于其相应最大值，反之亦然。这样，还可知，当法向应力量A o和法向 应变量△ ￡处于其相应最小值时，剪切应力量△ t和剪切应变量△、处于或接近于其相 应最小值，反之亦然。剪切应力和应变量与法向应力和应变量的同相或同时最大化或近似 最大化，促使铝合金中的疲劳裂纹形成和延展。这样，在非比例性加载和比例性加载具有相 同的等同应变量的情况下，在比例性加载下的铝合金通常比在非比例性加载下的铝合金具 有更长的疲劳寿命。
额外硬化在这种类型的非比例性加载过程中发生。这样的额外硬化通常不会在单 轴或任何比例性加载途径中出现。图3以图线例示出在具有90°异相拉伸一扭转加载的 非比例性加载途径下的转变有效应力和应变。已发现，90°异相加载途径产生最大程度的 非比例性额外硬化。与在单轴或比例性加载中所观测到的情况相比，在这种加载途径中观 测到的额外硬化量通常显著取决于微观结构特性和滑移系统在材料中发展的容易程度。例 如，在铝合金中，在所评估的多种90°异相加载途径中，已发现圆形加载途径产生最大的额 外硬化。铝合金的疲劳寿命缩短由于多种原因而可产生问题，这取决于合金的应用。例如， 在汽车工业中，汽车铝部件失效可能会增大保修成本，并可能对部件的质量和性能产生不 利影响。本发明的实施例可操作以预测铝合金在其开发阶段中和在其应用之前的疲劳寿 命，并因而可消除这样的问题或使其影响最小。此外，本发明的实施例可显著减少传统上在 测量疲劳寿命时所必要的铝部件开发和观测/测试循环。在一个实施例中，如图4中的示意图所示，用于预测铝合金在循环多轴加载下的 疲劳寿命的系统10包括信息输入端12，信息输出端14，处理单元16，计算机可读介质18， 和至少一个基于微观力学的疲劳寿命模型20。信息输入端12被设置以接收以下中的至少 一种与铝合金相关的信息，和与铝合金中所呈现应力状态相关的信息，此信息在此被统称 为“所接收的信息”。信息输出端14被设置以传送与铝合金相关的信息。计算机可读介质 18与基于微观力学的疲劳寿命模型20协作以通过处理所接收的信息预测铝合金的疲劳寿 命。由信息输出端14传送的与铝合金相关的信息包括通过疲劳寿命模型20预测的铝合 金的疲劳寿命。处理单元16可以是可对被输入到系统10的指令进行解释的中心处理单 元，可翻译数据或其它信息或将数据转变为另一数据形式的数据处理单元，或其它处理单 元。可想到的是，信息输入端12、信息输出端14、处理单元16、和计算机可读介质18可包括 或设置为可操作以执行在此所述功能的现有技术中已知的任意传统信息输入端、信息输出 端、处理单元、和计算机可读介质。由信息输入端接收的与铝合金中所呈现的应力状态相关的信息包括以下中的至 少一种铝合金的临界剪切面和铝合金的损伤因子。在铝合金的临界剪切面中，剪切应变 量达到其最大值。临界剪切面可例如垂直于薄壁管样本的柱形表面。铝合金的损伤因子可 归因于循环多轴加载。损伤因子由多个损伤因子参数中的至少一个限定。损伤因子参数包 括最大剪切应变量A Y_，剪切应力量A t，最大法向应变量A ，法向应变量A en, 和法向应力量A on。铝合金的硬化因子也可归因于循环多轴加载。硬化因子由多个单轴循环硬化因子 参数中的至少一个限定。单轴循环硬化因子参数与铝合金中的缺陷概率和微观结构特性相 关。单轴循环硬化因子参数可通过应变寿命低循环单轴疲劳测试而确定。在一个实施例中， 单轴循环硬化因子参数包括疲劳强度系数，疲劳延性系数，疲劳强度指数IV 和疲劳延性指数C(l。单轴循环硬化参数的疲劳强度系数可与铝合金中的缺陷尺寸相 关。当基于线弹性断裂力学(LEFM)时，在单轴加载下的应力量与疲劳寿命之间的关 系可被表示为
其中， 是缺陷(例如，孔或氧化物夹杂物)的尺寸；m是疲劳裂纹生长Paris定 律指数，对于铸造铝合金而言，其可从约3变化至约10 ；
12；Y是几何校正因子。对表面缺陷(裂
纹)和内部缺陷(裂缝)而言，Y(ai)可分别取值为约0.65和约0.5。UE(ai)是裂纹闭合因 子。如果R = _l，则值UK(ai) =0.5可简单地假定当法向应力变为拉伸力时，裂纹完全打 开。在高循环疲劳中，应力量与单轴疲劳寿命之间的关系也可表示为
(11)其中，k是疲劳强度指数。通过比较公式(10)和(11)，疲劳强度系数of'可与 缺陷尺寸相关，并被表示为
(12) 疲劳强度指数k可是疲劳裂纹生长Paris定律指数的函数，并被表示为屯= F(-l/m)。而且，单轴循环硬化参数的疲劳延性系数可被表示为
(13)其中，k'和n'分别是循环强度系数和循环应变硬化指数；n是拉伸应变硬化指 数，其可与以下中的至少一种相关铝合金中的缺陷体积分数，第二相颗粒体积分数，二次 枝晶臂间距((SDAS)，微观结构细度测量值)。n可被表示为 其中，o YS是屈服强度；(^、(2、(3、(；和L是常数；￡ *是塑性松弛开始时的应变，其 对于铸造Al-Si-Mg合金而言可由经验得出约为0. 007。fp和fd分别是第二相颗粒体积分 数和缺陷体积分数八是二次枝晶臂间距(SDAS)。进一步地，单轴循环硬化因子参数的疲
劳延性指数C(l也可与拉伸应变硬化指数n相关，并可被表示为
拉伸应 变硬化指数n可通过公式(14)计算出。进一步地，在另一实施例中，由信息输入端所接收 的信息可包括微观结构特性以及热物理和机械性能，并可包括以下中的至少一种二次枝 晶臂间距(SDAS)，晶粒尺寸，第二相颗粒尺寸，第二相颗粒的纵横比，缺陷尺寸，缺陷体积分 数，第二相颗粒的体积分数，和剪切模量值。进一步地，对于上述信息而言另外地或可替代 地，所接收的信息还可包括以下中的至少一种铝合金的泊松比，杨氏模量值，和额外硬化 因子，其中额外硬化因子归因于在循环多轴非比例性加载下对铝合金的额外损伤。更具体地，额外硬化因子顾及在塑性变形中非比例性的影响以及疲劳裂纹形成和延展。这样，由于 循环多轴非比例性加载所激发的多滑移系统中的位错相互作用所致的额外硬化因子由以 下中的至少一种限定在非比例性加载下的额外硬化系数L(i、在扭转加载下的硬化指数％ 和非比例性值①。例如，对于铸造铝合金而言，额外硬化系数k通常在约0. 1至约0. 15之 间，扭转下的硬化指数 通常在约0. 2至约0. 25之间变化；进一步地，非比例性值①可被 表示为 其中，K。是常数，;^、Sc. 分别是所述铝合金在比例性、圆形、和其它非比
例性加载途径下的位错的统计平均自由滑移距离。因此，非比例性值被限定为位错的自由 滑移距离的平均值，其可根据加载途径而变化，如表1中所示。应注意的是，在此使用的“非 比例性”是指加载途径，例如，如表1中所示的圆形、菱形、正方形、矩形、椭圆形的加载途径， 或其它以非比例性方式施加于铝合金的加载途径。进一步地，如表1中所示，当预测多轴比 例性加载下的疲劳寿命时，非比例性值①等于零，这是因为非比例性是无关因素且不需关 注。不过，当预测多轴非比例性加载下的疲劳寿命时，非比例性值①可通过公式(15)表示 和确定。表1 在不同加载途径下的非比例性值 进一步地，由信息输入端所接收的信息可与铝合金的详细微观结构特性相关，这 些详细微观结构特性可使用与铸造、固化和热处理工艺的多尺度(multi-scale)数学模型 相关的参数被提供。微观结构特性的平均值，例如孔或第二相的平均尺寸，基于合金组分、 铸造、固化和热处理工艺参数的名义基线被计算出。微观结构特性的概率可取决于合金成 分、铸造、固化和热处理工艺参数的统计学变化。由信息输入端所接收的与铝合金的微观结构特性相关的信息可通过各种测量方 式提供，包括传统的二维金相测量。金相技术在实践中被广泛用于二维(2D)表征铸造缺 陷和微观结构特性。通过传统2D金相数据，铸造缺陷的尺寸分布和其它微观结构特性可以 通过利用累积分布函数的极值统计(EVS)进行描述，其中累积分布函数例如为 其中，x是铸造缺陷或微观结构特性的特性参数，(和5是极值统计分布参数。可 想到的是，公式(16)仅为这种函数的示例，其它类似的分布函数也可用于拟合实验数据。基于微观力学的疲劳寿命模型通过至少一部分由信息输入端所接收的信息预测 铝合金的疲劳寿命。在一个实施例中，疲劳寿命模型包括低循环多轴疲劳寿命模型。在此使用的“低循环”是指当铝合金疲劳寿命Nf小于104次循环(Nf < 104次循环)时的情况。 低循环多轴疲劳寿命模型的一个示例可被表示为 当在临界剪切面上的最大剪切应变量A Y_、剪切应力量A X、法向应变量 A ￡n、法向应力量A on及其构成关系已知时，公式(17)的低循环多轴疲劳寿命模型可预 测铝合金的疲劳寿命Nf。图5以图线例示出使用传统疲劳寿命测量方法(包括但不仅限于物理疲劳测试观 测)所观测的铸造A356铝合金的低循环多轴疲劳寿命与使用公式(17)的低循环多轴疲 劳寿命模型所预测的相同合金的低循环多轴疲劳寿命的示例性比较。在此，杨氏模量值为 74GPa，且单轴循环硬化因子参数给定如下o f' = 360MPa, b0 = -0. 125，e f' =0. 12，c0 =-0.61。对于A356铝合金而言，弹性泊松比〃6为0.3，塑性泊松比vp*0.5。图5的 比较显示，使用公式(17)的低循环多轴疲劳寿命模型预测的疲劳寿命与观测的疲劳寿命 基本一致，其中，对于比例性和圆形(即，非比例性)加载途径而言，几乎所有绘出的疲劳寿 命点均在1.5倍的散布带内。低循环多轴疲劳寿命模型的另一实施例可被表示为 当在临界剪切面上的最大剪切应变量A Y_、剪切应力量A X、法向应变量 A ￡n、法向应力量A 0 及其构成关系中的一种或多种未知时，公式(18)的低循环多轴疲 劳寿命模型可预测铝合金的疲劳寿命Nf。进一步地，公式(17)和公式(18)的比较显示，虽 然公式(18)简化了公式(17)的应力和应变处理，不过公式(18)通过处理由于多滑移系统 中的位错相互作用(即，以下中的至少一种在非比例性加载下的硬化系数k，在扭转加载 下的硬化指数IV和非比例性值①)所致的额外硬化因子而可顾及非比例性对铝合金的影 响，这是公式(17)中未顾及的。图6以图线例示出所观测的铸造A356铝合金的低循环多轴疲劳寿命与使用公 式(18)的低循环多轴疲劳寿命模型所预测的相同合金的低循环多轴疲劳寿命的示例性比 较。在此，杨氏模量值E为74GPa，且单轴循环硬化因子参数给定如下o f' = 360MPa, b0 =-0.125，e f' = 0. 12，cQ =-0. 61。对于A356铝合金而言，弹性泊松比3，塑性 泊松比％为0.5。在非比例性加载下的硬化系数k为0. 141，在扭转加载下的硬化指数 为0. 22。图6的比较显示，与所观测的疲劳寿命相比，由公式(18)预测的疲劳寿命的准确 性虽然略低于由公式(17)提供的准确性，但由公式(18)预测的疲劳寿命与所观测的疲劳 寿命之间仍存在显著的一致性，其中，对于比例性和圆形(即，非比例性)加载途径而言，几 乎所有绘出的疲劳寿命点均在2倍的散布带内，其中顾及非比例性的影响。在基于微观力学的疲劳寿命模型的另一个实施例中，疲劳寿命模型包括高循环多 轴疲劳寿命模型。在此使用的“高循环”是指当铝合金疲劳寿命Nf大于104次循环(Nf < 104次循环)时的情况。在高循环疲劳状态下，在铝合金上施加的应力通常较低，因而在疲劳裂 纹形成之前的时间长度可能显著较长。例如，在金属材料中，在疲劳裂纹形成之前的时间长 度可最长至材料总疲劳寿命的90 %。进一步地，在多轴加载下，疲劳裂纹形成的驱动力通常 与临界剪切面上的最大法向应变直接相关。在一个实施例中，铝合金在多轴非比例性加载下的高循环多轴疲劳寿命模型被表 示为 其中，A 是最大法向应变量。公式(19)特别用于高循环状态下的应用，而公 式(17)和(18)特别用于低循环状态。进一步地，公式(19)简化了公式(17)的应力和应 变处理，但通过处理由于多滑移系统中的位错相互作用所致的额外硬化因子而可顾及非比 例性对铝合金的影响，这是公式(17)中未顾及的。表2和图7提供所观测的6063铝合金高循环多轴疲劳寿命的示例性比较。更具体 地，图7以图线例示出所观测的6063铝合金的高循环多轴疲劳寿命与使用公式(19)的高 循环多轴疲劳寿命模型所预测的相同合金的高循环多轴疲劳寿命的示例性比较。在此，杨 氏模量值E为68GPa，且单轴循环硬化因子参数给定如下= 411MPa,b0 = -0. 1，e f' =0. 2，cq = -0.67。对于6063铝合金而言，弹性泊松比0.3，塑性泊松比5。 在非比例性加载下的额外硬化系数k为0. 11，在扭转加载下的硬化指数％为0. 2。图7的 比较显示，使用公式(19)的高循环多轴疲劳寿命模型预测的疲劳寿命与所观测的疲劳寿 命基本一致，其中，对于比例性和非比例性加载途径而言，几乎所有绘出的疲劳寿命点均在 1.5倍的散布带内。表2提供6063铝合金在不同非比例性加载途径下的所观测的高循环多轴疲劳寿 命与所预测的高循环多轴疲劳寿命(使用公式(19)的高循环多轴疲劳寿命模型)的示例 性比较。表2 6063铝合金在不同非比例性加载途径下的预测疲劳寿命与观测疲劳寿命的比较 图8以图线例示出所观测的铸造A356_T6(高温等静压的，热等静压的)铝合金的 高循环多轴疲劳寿命与使用公式(19)的高循环多轴疲劳寿命模型所预测的相同合金的高循环多轴疲劳寿命的示例性比较。在此，杨氏模量值E为74GPa，且单轴循环硬化因子参数 给定如下。f' = 587MPa,b0 = -0. 124, e f' = 0. 011，cQ = _0. 511。对于铸造 A356-T6 (热 等静压的)铝合金而言，弹性泊松比\为0.3，塑性泊松比％为0.5。在非比例性加载下 的额外硬化系数k为0. 11，在扭转加载下的硬化指数 为0. 2。图8的比较显示，考虑在 临界面上同时存在最大剪切应变量和最大法向应变量时，使用公式(19)的高循环多轴疲 劳寿命模型预测的疲劳寿命与所观测的疲劳寿命基本一致，其中，对于比例性和圆形(即， 非比例性)加载途径而言，几乎所有绘出的疲劳寿命点均在2倍的散布带内。本发明的另外的实施例总体上涉及预测铝合金在循环多轴非比例性加载下的疲 劳寿命的方法。在一个实施例中，此方法包括设置用于预测铝合金的疲劳寿命的基于计算 机的系统。基于计算机的系统包括信息输入端，其被设置为接收以下中的至少一种与铝 合金相关的信息，和与铝合金中所呈现的应力状态相关的信息；信息输出端，其被设置为传 送与铝合金相关的信息；信息存储器(例如随机存储器(RAM))和指令存放存储器(例如只 读存储器(ROM))中的至少一种；中心处理单元；和计算机可读程序代码装置，用于处理至 少一部分所接收到的与铝合金和铝合金中所呈现的应力状态相关的信息。信息输入端所接收到的与铝合金中的应力状态相关的信息包括以下中的至少一 种铝合金的临界剪切面，其中剪切应变量达到其最大值；铝合金的损伤因子，损伤因子可 归因于循环多轴加载，损伤因子由多个损伤因子参数中的至少一个限定，多个损伤因子参 数包括最大剪切应变量，法向应变量，最大法向应变量，剪切应力量，和法向应力量。所接 收的与铝合金相关的信息包括微观结构特性以及热物理和机械性能，并包括以下中的至少 一种二次枝晶臂间距(SDAS)，晶粒尺寸，缺陷尺寸，缺陷体积分数，第二相颗粒尺寸，第二 相颗粒的纵横比，第二相颗粒的体积分数，剪切模量值，泊松比，和杨氏模量值；可归因于循 环多轴加载的铝合金的硬化因子，硬化因子由多个单轴循环硬化因子参数中的至少一个限 定，多个单轴循环硬化因子参数包括疲劳强度系数，疲劳延性系数，疲劳强度指数，和疲劳 延性指数；额外硬化因子，额外硬化因子由于循环多轴非比例性加载所激发的多滑移系统 中的位错相互作用所致，额外硬化因子由额外硬化系数、扭转硬化指数和非比例性值中的 至少一种限定。硬化因子的单轴循环硬化因子参数可与铝合金中的缺陷概率和微观结构特 性相关。所述方法进一步包括通过基于计算机的系统根据计算机可读程序代码装置的处 理预测铝合金的疲劳寿命。在一个实施例中，计算机可读程序代码装置包括低循环多轴疲 劳寿命模型，而在另一实施例中，计算机可读程序代码装置包括高循环多轴疲劳寿命模型。 在又一实施例中，计算机可读程序代码装置同时包括低循环多轴疲劳寿命模型和高循环多 轴疲劳寿命模型。进一步地，本发明的另外的实施例总体涉及用于预测铝合金在循环多轴加载下的 疲劳寿命的制品，所述制品相应包括可用于计算机的介质，所述介质包括被嵌入其中的计 算机可读程序代码装置。可以想到的是，可通过计算机可读程序代码装置预测在多轴比例 性和/或非比例性加载下的疲劳寿命。在一个实施例中，所述制品中的计算机可读程序代 码装置包括以下中的至少一种用于处理铝合金临界剪切面的计算机可读程序代码装置， 在临界剪切面中剪切应变量达到其最大值；用于处理铝合金损伤因子的计算机可读程序 代码装置，损伤因子可归因于循环多轴加载，损伤因子由多个损伤因子参数中的至少一个限定，损伤因子参数包括最大剪切应变量，法向应变量，最大法向应变量，剪切应力量，和 法向应力量；用于处理铝合金硬化因子的计算机可读程序代码装置，硬化因子可归因于循 环多轴加载，硬化因子由多个单轴循环硬化因子参数中的至少一个限定，单轴循环硬化因 子参数包括疲劳强度系数，疲劳延性系数，疲劳强度指数，和疲劳延性指数；用于处理铝 合金额外硬化因子的计算机可读程序代码装置，额外硬化因子归因于循环多轴非比例性加 载，额外硬化因子由额外硬化系数、扭转硬化指数和非比例性值中的至少一个限定；用于处 理所接收的涉及铝合金的信息的计算机可读程序代码装置，所接收的涉及铝合金的信息包 括微观结构、热物理和机械性能，并包括以下中的至少一种二次枝晶臂间距，晶粒尺寸， 缺陷尺寸，缺陷体积分数，第二相颗粒尺寸，第二相颗粒的纵横比，第二相颗粒的体积分数， 剪切模量值，泊松比，和杨氏模量值。在一个实施例中，计算机可读程序代码装置可在低循 环状态下操作；而在另一实施例中，计算机可读程序代码装置可在高循环状态下操作。在又 一实施例中，计算机可读程序代码装置在低循环和高循环的状态下均可操作。基于如上所述，可以想到的是，基于微观力学的疲劳寿命模型可包括以下中的至 少一种和/或它们的任意组合公式(17)的低循环多轴疲劳寿命模型，公式(18)的低循 环多轴疲劳寿命模型，和公式(19)的高循环多轴疲劳寿命模型。这样，本发明的实施例可 在低循环情况下、高循环情况下、和/或低和高循环情况下操作以预测铝合金的疲劳寿命。 进一步地，虽然在此为了示例性目的对铝合金A356、6063和A356-T6 (热等静压)进行评 估，不过应想到的是，本发明的实施例可操作以预测一种或多种任意类型的铝合金的疲劳 寿命ο应注意到，在此对于以特定方式或者为了以特定方式体现特定性能或功能而“设 置”的实施例部件进行的描述，是结构性的描述，而不是对其目标用途的描述。更具体地，在 此对于“设置”部件的方式进行的描述表示部件所处的物理状态，因而作为对部件结构因素 的限定性描述。应注意到，在此使用的诸如“基本”、“通常”和“一般”之类的用词，不是用于限制要 求保护的实施例的范围或者暗示特定特征对于要求保护的实施例的结构和功能是关键的、 基本的或甚至是重要的。而使，这些用词仅用于确定一个实施例的具体方案或者强调在具 体实施例中可采用或不采用的可替代的或另外的特征。为了在此描述和限定实施例的目的，应注意的是，用词“大致”、“显著”和“基本”在 此用于不是可归因于任何定量的比较、值、测量值或其它代表物的固有的不确定程度。用词 “大致”、“显著”和“基本”在此还用于表示定量代表物可偏离于设定基准而不会使所关注物 体基本功能发生变化的程度。通过对本发明实施例的详细描述并参照其具体实施例，显然的是，在不背离由所 附权利要求书限定的实施例范围的情况下，可进行修改和变化。更具体地，虽然本发明的实 施例的一些方案在此被认为是优选的或是特别有利的，不过应想到的是，本发明的实施例 不仅限于这些优选方案。
权利要求
一种用于预测铝合金在循环多轴加载下的疲劳寿命的系统，所述系统包括信息输入端，其设置为接收以下中的至少一种与所述铝合金相关的信息，和与所述铝合金中所呈现的应力状态相关的信息，和所述铝合金的微观结构特性以及热物理和机械性能；信息输出端，其设置为传送与所述铝合金相关的信息；处理单元；和与至少一个基于微观力学的疲劳寿命模型协作的计算机可读介质，其中，所述疲劳寿命模型通过处理至少部分所接收的信息来预测所述铝合金的疲劳寿命，所接收的信息包括以下中的至少一种所述铝合金的临界剪切面，其中剪切应变量达到其最大值；所述铝合金的损伤因子，所述损伤因子由多个损伤因子参数中的至少一个限定，所述损伤因子参数包括最大剪切应变量，法向应变量，最大法向应变量，剪切应力量，和法向应力量；所述铝合金的硬化因子，所述硬化因子由多个单轴循环硬化因子参数中的至少一个限定，所述单轴循环硬化因子参数包括疲劳强度系数，疲劳延性系数，疲劳强度指数，和疲劳延性指数，其中，所述单轴循环硬化因子参数与所述铝合金中的缺陷概率和微观结构特性相关；额外硬化因子，所述额外硬化因子由于多滑移系统中的位错相互作用所致，所述额外硬化因子由额外硬化系数、扭转硬化指数和非比例性值中的至少一种限定，其中，所述额外硬化系数、扭转硬化指数和非比例性值中的至少一种与所述铝合金中的微观结构概率和位错结构相关；和所述铝合金的微观结构特性以及热物理和机械性能，由以下中的至少一种限定缺陷尺寸，缺陷体积分数，二次枝晶臂间距，晶粒尺寸，第二相颗粒尺寸，第二相颗粒的纵横比，第二相颗粒的体积分数，剪切模量值，泊松比，和杨氏模量值。
2.如权利要求1所述的系统，其中，所述单轴循环硬化因子参数的疲劳强度系数 (of')与所述铝合金中的缺陷尺寸(&i)相关，并被表示为 其中，m是疲劳裂纹生长Paris定律指数。
3.如权利要求1所述的系统，其中，所述单轴循环硬化因子参数的疲劳延性系数 (ε f')与拉伸应变硬化指数(η)相关，并被表示为
4.如权利要求3所述的系统，其中，所述拉伸应变硬化指数(η)与以下中的至少一种相 关所述铝合金的缺陷体积分数，第二相颗粒体积分数，二次枝晶臂间距，和屈服强度，并被 表示为 其中，O YS是屈服强度，CpCyCpC4和L是常数，ε *是塑性松弛开始时的应变，fp和fd 分别是第二相颗粒体积分数和缺陷体积分数，λ是二次枝晶臂间距。
5.如权利要求1所述的系统，其中，所述单轴循环硬化因子参数的疲劳强度指数(bj 与疲劳裂纹生长Paris定律指数(m)相关，并被表示为
6.如权利要求1所述的系统，其中，所述单轴循环硬化因子参数的疲劳延性指数(Ctl) 与拉伸应变硬化指数(η)相关，并被表示为
7.如权利要求1所述的系统，其中所述铝合金的微观结构特性通过使用与铸造、固化和热处理工艺的多尺度数学建模相 关的一个或多个参数而被提供，所述微观结构特性的平均值基于所述铝合金的铸造、固化和热处理工艺参数的标定基 线而计算出，以及所述微观结构特性的概率取决于所述铝合金的铸造、固化和热处理工艺参数的统计学变化。
8.如权利要求1所述的系统，其中，铸造缺陷或微观结构特性的尺寸分布通过利用累 积分布函数的极值统计而确定，所述累积分布函数被表示为 其中，χ是铸造缺陷或微观结构特性的特性参数，ζ和δ极值统计分布参数。
9.一种预测铝合金在循环多轴加载下的疲劳寿命的方法，其中所述方法包括 设置基于计算机的系统以预测疲劳寿命，所述基于计算机的系统包括信息输入端，其设置为接收以下中的至少一种与所述铝合金相关的信息，和与所述铝 合金中所呈现的应力状态相关的信息和所述铝合金的微观结构特性以及热物理和机械性 能；信息输出端，其设置为传送与所述铝合金相关的信息； 信息存储器和指令存放存储器中的至少一种； 中心处理单元；和计算机可读程序代码装置，用于处理至少一部分所接收到的与铝合金相关的信息，其 中所接收到的与铝合金相关的信息包括以下中的至少一种 所述铝合金的临界剪切面，其中剪切应变量达到其最大值；所述铝合金的损伤因子，所述损伤因子可归因于循环多轴加载，所述损伤因子由多个 损伤因子参数中的至少一个限定，所述多个损伤因子参数包括最大剪切应变量，法向应变量，最大法向应变量，剪切应力量，和法向应力量；所述铝合金的硬化因子，所述硬化因子可归因于循环多轴加载，所述硬化因子由多个 单轴循环硬化因子参数中的至少一个限定，所述多个单轴循环硬化因子参数包括疲劳强 度系数，疲劳延性系数，疲劳强度指数，和疲劳延性指数；额外硬化因子，所述额外硬化因子 由于循环多轴非比例性加载所激发的多滑移系统中的位错相互作用所致，所述额外硬化因 子由额外硬化系数、扭转硬化指数和非比例性值限定，其中，所述额外硬化因子参数与所述 铝合金中的微观结构概率和位错结构相关；和所述铝合金的特性微观结构特征以及热物理和机械性能，由以下中的至少一种限定 缺陷尺寸，缺陷体积分数，二次枝晶臂间距，晶粒尺寸，第二相颗粒尺寸，第二相颗粒的纵横 比，第二相颗粒的体积分数，剪切模量值，泊松比，和杨氏模量值；和通过所述基于计算机的系统根据所述计算机可读程序代码装置的处理预测所述铝合 金的疲劳寿命。
10. 一种用于预测铝合金在循环多轴加载下的疲劳寿命的制品，所述制品包括 用于预测疲劳寿命的基于计算机的系统，所述基于计算机的系统包括 信息输入端，其设置为接收以下中的至少一种与所述铝合金相关的信息，和与所述铝 合金中所呈现的应力状态相关的信息和所述铝合金的微观结构特性以及热物理和机械性 能；信息输出端，其设置为传送与所述铝合金相关的信息； 信息存储器和指令存放存储器中的至少一种； 中心处理单元；和计算机可读程序代码装置，用于处理至少一部分所接收到的信息，其中所接收到的信 息包括以下中的至少一种所述铝合金的临界剪切面，其中剪切应变量达到其最大值；所述铝合金的损伤因子，所述损伤因子可归因于循环多轴加载，所述损伤因子由多个 损伤因子参数中的至少一个限定，所述多个损伤因子参数包括最大剪切应变量，法向应变 量，最大法向应变量，剪切应力量，和法向应力量；所述铝合金的硬化因子，所述硬化因子可归因于循环多轴加载，所述硬化因子由多个 单轴循环硬化因子参数中的至少一个限定，所述多个单轴循环硬化因子参数包括疲劳强 度系数，疲劳延性系数，疲劳强度指数，和疲劳延性指数；额外硬化因子，所述额外硬化因子由于循环多轴非比例性加载所激发的多滑移系统中 的位错相互作用所致，所述额外硬化因子由额外硬化系数、扭转硬化指数和非比例性值限 定，其中，所述额外硬化因子参数与所述铝合金中的微观结构概率和位错结构相关；和所述铝合金的特性微观结构特征以及热物理和机械性能，其由以下参数限定缺陷尺 寸，缺陷体积分数，二次枝晶臂间距，晶粒尺寸，第二相颗粒尺寸，第二相颗粒的纵横比，第 二相颗粒的体积分数，剪切模量值，泊松比，和杨氏模量值；其中，所述基于计算机的系统根据所述计算机可读程序代码装置的处理预测所述铝合 金的疲劳寿命。
全文摘要
本发明公开一种预测铝合金在多轴加载下的疲劳寿命的系统和方法。所述系统包括计算机可读介质，其能够与用于循环多轴加载的基于微观力学的疲劳寿命模型协作。所述疲劳寿命模型通过处理由系统接收的与铝合金以及铝合金中所呈现应力状态相关的信息预测疲劳寿命。所接收的信息包括以下中的至少一种临界剪切面；损伤因子；硬化因子，其由与铝合金中的缺陷概率和微观结构特性相关的多个单轴循环硬化因子参数中的至少一个限定；额外硬化因子，其与非比例性相关；和铝合金的热物理和机械性能。可使用铸造、固化和热处理工艺的数学建模或通过基于金相测量的极值统计而计算出所述缺陷和微观结构特性。
文档编号G01N33/20GK101839904SQ20101013591
公开日2010年9月22日 申请日期2010年3月12日 优先权日2009年3月12日
发明者C·陈, D·莫, G·何, Q·王, X·刘, Y·王, Z·胡 申请人:通用汽车环球科技运作公司