具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明申请的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。

本实施例提供了一种超高周疲劳性能测定方法，包括如下步骤：步骤1，获取第一试样的经验拉伸极限强度σb，以σb的40％～60％的作为试验载荷进行第一次疲劳试验，采用步进法升载荷继续后续疲劳试验，每次试验的载荷增加的级差为5％～10％，直至第一试样破坏，计算预估条件疲劳极限强度；步骤2，所述预估条件疲劳极限强度取整后获得初始数值，以初始数值逐级递增值或逐级递减值为加载载荷；步骤3，另选取试样开始新的疲劳试验，在新的疲劳实验中，所述试样未达到指定寿命就发生破坏，则选取另一件试样降低一级加载载荷继续试验，所述试样在新的疲劳试验中达到指定寿命未发生破坏，则选取另一件试样增加一级加载载荷继续试验；将每两个相邻级别加载载荷试验结果相反的数据点配成对子；步骤4，重复步骤3至满足配成对子的数量和闭合条件，根据配成对子的总数、相同载荷下对子的个数、配成对子的载荷均值，计算指定寿命下的条件疲劳极限强度。

本实施例，通过步骤1获得的预估条件疲劳极限强度，能够十分接近待测试样的指定寿命下的条件疲劳极限强度，所述预估条件疲劳极限强度在指定寿命下的条件疲劳极限强度的设定区域内，从而，能够保证在新的疲劳实验中，增加一级或降低一级后的加载载荷均在设定范围内，以使数据更加准确。

由于升降法中，无论试样是否破坏，达到指定寿命就停止试验，也就是，能够对疲劳极限强度进行反复验证，最终获得可靠的指定寿命下的条件疲劳极限强度。

一种超高周疲劳性能测定系统，包括：步进法试验单元，获取第一试样的经验拉伸极限强度σb，以σb的40％～60％的作为试验载荷进行第一次疲劳试验，采用步进法升载荷继续后续疲劳试验，每次试验的载荷增加的级差为5％～10％，直至第一试样破坏，计算预估条件疲劳极限强度；初始载荷获取单元，所述预估条件疲劳极限强度取整后获得初始数值，以初始数值逐级递增值或逐级递减值为加载载荷；升降法试验单元，另选取试样开始新的疲劳试验，在新的疲劳实验中，所述试样未达到指定寿命就发生破坏，则选取另一件试样降低一级加载载荷继续试验，所述试样在新的疲劳试验中达到指定寿命未发生破坏，则选取另一件试样增加一级加载载荷继续试验；将每两个相邻级别加载载荷试验结果相反的数据点配成对子；疲劳极限强度计算单元，重复运行升降法试验单元直至满足配成对子的数量和闭合条件，根据配成对子的总数、相同载荷下对子的个数、配成对子的载荷均值，计算指定寿命下的条件疲劳极限强度。

本发明的超高周疲劳性能测定系统，通过步进法试验单元能够获得预估条件疲劳极限强度，由于所述预估条件疲劳极限强度十分接近指定寿命下的条件疲劳极限强度，在升降法试验单元的试验过程中，能够使待测试样在指定寿命下的条件疲劳极限强度的设定区域内进行反复验证实验，从而通过数次疲劳实验即可获得一个可靠指定寿命下的条件疲劳极限强度。这种测试系统，能够大大提高测试效率，降低测试的人工成本。

优选地，在步骤1中，所述第一试样在指定寿命下至少完成两级载荷，获取未发生破坏的第一试样的最大应力σ₀、应力间隔Δσ、最后一级应力下的破坏循环次数N_fail、需要求得的疲劳极限对应的循环次数N_life；

所述预估条件疲劳极限强度计算公式如下：

式中：σ_e为预估条件疲劳极限；

σ₀为未发生试验件破坏的最大应力；

Δσ为应力间隔；

N_fail为最后一级应力下的破坏循环次数；

N_life为需要求得的疲劳极限对应的循环次数。

优选地，所述疲劳极限对应的循环次数为3×10⁷或10⁸或10⁹。

在步骤3中，所述的降低一级加载载荷或增大一级加载载荷继续试验中，所述降低一级或增大一级的级差为预估条件疲劳极限强度的3％～5％，并在整个试验过程中保持加载载荷级差不变。

在步骤3中，配成对子的数据点为有效数据点，所述有效数据点包括越出和破坏，第一次出现的对子包括第一数据点和第二数据点，最后一次出现对子包括第i数据点和第i+1数据点，根据第i+1数据点可推算出下一级载荷的待定数据点，如果这个待定数据点与第一数据点载荷水平相同，那么就构成闭合条件。

所述指定寿命下的条件疲劳极限强度的计算公式为：

式中，n’为配成对子的总数，n_i’为相同载荷下对子的个数，为配成对子的载荷均值。

所述配成对子的载荷均值的计算公式为：

式中，σ_i、σ_i+1为配成对子的应力值。

所述满足配成对子的数量为3～7个对子。

实施例1

本实施例所述试样的结构示意图见图1。

本实施例以航空发动机材料某钛合金为试验材料，根据经验可知，所述钛合金材料室温下拉伸极限强度为993MPa，测定其在室温下应力比为0.1的10⁸次条件疲劳极限强度。具体方法如下：

将钛合金材料加工为M14×70(mm)棒状试样件，试样件示意图见图1。完成试样安装后，按照实施例1中所述预估条件疲劳极限强度的测定方法，对钛合金材料的第一试样施加最大应力400MPa进行疲劳试验(993MPa×40.28％)，并以20MPa(最大应力400MPa×5％＝20MPa)作为升载间隔完成预估条件疲劳极限强度的试验，试验结果见表1。

表1某钛合金室温，应力比0.1光滑试样步进法疲劳试验结果

本实施例所提供的预估条件疲劳极限强度的测定方法，利用一件试样不断升载初步确定待测材料指定寿命下的疲劳强度范围，解决超长疲劳寿命测试中疲劳强度范围确定困难的问题，降低了前期应力摸索阶段的时间和经济成本。

具体地，在新的疲劳试验中，包括如下步骤：

步骤2.1：以第二试样开始试验，若所述第二试样在所述初始数值为加载载荷的条件下，观察试验结果；

步骤2.2包括两种结果：

结果1为若步骤2.1的结果为第二试样在未达到指定寿命就发生破坏(即结果为破坏)，则另选取第三试样降低一级加载载荷继续试验，观察试验结果；

结果2为若步骤2.1的结果为所述第二试样在该加载载荷下达到指定寿命未发生破坏(即结果为越出)，则另选取第三试样增大一级加载载荷继续试验，观察试验结果；

步骤2.3也分两种方式，下面以步骤2.2的结果1为例进行进一步说明：

方式1：步骤2.2的结果1中，若第三试样在未达到指定寿命就发生破坏，则另选取第四试样降低一级加载载荷继续试验，观察试验结果；

方式2：步骤2.2的结果1中，若第三试样在该加载载荷下达到指定寿命未发生破坏，则另选取第四试样增大一级加载载荷(即与步骤1中第二试样的加载载荷相同)继续试验，观察试验结果；

步骤2.4：重复步骤2.3，若所述试样在该加载载荷下达到指定寿命未发生破坏，即结果为越出，则另选取一件试样增大一级加载载荷继续试验；将每两个相邻加载载荷试验结果相反的数据点配成对子，直至满足配成对子的数量以及闭合条件，根据配成对子的总数、相同载荷下对子的个数、配成对子的载荷均值，计算指定寿命下的条件疲劳极限强度。

也就是说，在这个步骤中，如果在该加载载荷下达到指定寿命未发生破坏，则在下一步骤中就增大一级加载载荷继续试验；反之，在这个步骤中，如果在该加载载荷下未达到指定寿命就发生破坏，则在下一步骤中就降低一级加载载荷继续试验。

所述的降低一级加载载荷或增大一级加载载荷继续试验中，所述降低一级或增大一级的级差为预估条件疲劳极限强度的3％～5％，并在整个试验过程中保持加载载荷级差不变。

配成对子的数据点为有效数据点，所述有效数据点包括越出和破坏，第一次出现的对子包括第一数据点和第二数据点，最后一次出现对子包括第i数据点和第i+1数据点，根据第i+1数据点可推算出下一级载荷的待定数据点，如果这个待定数据点与第一数据点载荷水平相同，那么就构成闭合条件。

其中，所述第一数据点和第i数据点先做出来的那个数据点，所述第二数据点和第i+1数据点是后做出来的数据点。所述待定数据点是在所述第i+1数据点之后要做的数据点，所述待定数据点中试样是否破坏与本实验无关，只要所述待定数据点的载荷与所述第一数据点的载荷相同即可。

本实施例中所公开的超高周疲劳性能测定系统，提出了一种基于步进法和升降法相结合的对材料超高周疲劳性能测定的综合方法，本方法首先利用一件试样不断升载初步确定待测材料指定寿命下的疲劳强度范围(即预估条件疲劳极限)，再利用多件试样在预估条件疲劳极限附近规定的强度范围内重复试验，最终获得具有一定可靠性的待测材料的超高周疲劳性能数据，由于实施例1中的计算获得的预估疲劳强度，接近预估的指定寿命下的条件疲劳极限强度，由此，本实施例中通过在预估疲劳强度范围内的试验，能够解决摸索阶段的消耗试样多的问题。

通过本实施例中，达到指定寿命后即停止试验，也就是，不管试样是否断裂，只要达到指定寿命就停止试验，从而，避免了某一试样材料的特殊变化，而影响整体的测试结果；另外，通过达到指定寿命就停止试验，不需要达到断裂再停止，也能够节约试验时间，从而常规方法中试验周期长的问题。

本实施例通过根据试样的多少或者试验要求，来设定配成对子的个数，配成的对子能够在3对时，即可保证试验的可靠度，从而解决常规试验方法由于某件特殊材料而导致的可靠度低的问题。

如图2所示，本方法在满足配成三个对子时，仅需要6件试样即可获得具有可靠性的超高周疲劳强度，比传统方法所需试样数量减少三分之二，试验机时减少至少40％。

图3为本方法的另一实施方式中所获得的升降图，在图3中，满足配成了5个对子。

所述指定寿命下的条件疲劳极限强度的计算公式为：

式中，n’为配成对子的总数，n_i’为相同载荷下对子的个数，为配成对子的载荷均值。

所述配成对子的载荷均值的计算公式为：

式中，σ_i、σ_i+1为配成对子的应力值。

所述满足配成对子的数量为3～7个对子。

根据试验可靠度需求确定试验配成对子的数量，当试验满足配成对子的数量以及闭合条件，试验即可停止。

根据预估条件疲劳极限强度的试验结果，初步确定了所述预估条件疲劳极限强度的是445MPa。

然后，在超高周疲劳性能测定系统中，首先用了一个比所述预估疲劳极限略大的载荷做试验。选取450MPa作为最大应力进行疲劳试验，并以10MPa(450×3％取整即10MPa)作为应力级差完成升降法试验，试验结果见表2，升降图见图2和表3。

表2某钛合金室温，应力比0.1光滑试样步进法疲劳试验结果

表3某钛合金室温，应力比0.1光滑试样升降法疲劳试验评价表

根据升降法试验结果确定该钛合金在室温，应力比0.1的条件下10⁸次的条件疲劳极限强度为448MPa，计算结果见表4。

表4某钛合金室温，应力比0.1光滑试样升降法疲劳极限(1×10⁸)计算值

根据试验结果计算条件疲劳极限的子样标准差S以及变异系数Cv，根据表5查表确定0.013＜0.0201，疲劳极限数据满足95％置信度要求。

表5最少试验件数量判据(置信度α＝95％，相对误差δ＝5％)

本实例针对航空发动机某钛合金材料进行超高周疲劳性能测试，通过步进法初步确定该材料的10⁸次条件疲劳极限强度范围，后使用升降法准确获得材料的10⁸次条件极限疲劳强度，该测试方法试验周期短、可靠度高、试验用料少，可以准确地获得高可靠度的材料超高疲劳性能数据。

本实施例中所公开的超高周疲劳性能测定系统具有以下优点：

本方法结合步进法和升降法的试验测试方法，与常规方法相比，该测试方法试验周期短、可靠度高、试验用料少，可以准确地获得高可靠度的材料超高疲劳性能。

实施例2

某钛合金拉伸极限强度为906MPa，根据经验取拉伸极限强度65％并取整作为升降法第一级载荷(最大应力590MPa)，根据升降法的原则试验数据如下

同样的钛合金材料根据经验取拉伸极限强度50％并取整作为步进法第一级载荷(最大应力450MPa)，步进法的数据如下：

表6某钛合金室温、R＝-1条件下步进法试验数据

步进法预估疲劳极限为478MPa，选取最大应力490MPa作为升降法试验的第一级载荷，试验数据如下：

表7某钛合金室温、R＝-1条件下疲劳极限升降图

表8某钛合金室温、R＝-1条件下疲劳试验数据

最终利用本发明的方法获得该材料的3×10⁷疲劳极限为493MPa。

对比例

本对比例与实施例2的区别在于，利用传统的升降法完成3×10⁷疲劳极限数据。

某钛合金拉伸极限强度为906MPa，根据经验取拉伸极限强度65％并取整作为升降法第一级载荷(最大应力590MPa)，根据升降法的原则试验数据如下：

表9某钛合金室温、R＝-1条件下疲劳极限升降图

表10某钛合金室温、R＝-1条件下疲劳试验数据

最终利用升降法获得该材料的3×10⁷疲劳极限为496MPa。

实施例2与对比例进行比较可知：

1)两种方法最终获得的疲劳极限几乎无差异，说明本发明中的方法的准确性和可靠性与传统方法相当。

2)通过对比例中的升降法试验用18件试样约800小时(净机时)完成3×10⁷超高周疲劳试验。

3)本发明中的试验方法用7件试样约550小时(净机时)完成3×10⁷超高周疲劳试验。

4)本发明中方法与传统的升降法相比，用料减少157％，用时减少约45％。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。