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第四節(jié)　損傷零件壽命估算

常規(guī)疲勞壽命計(jì)算都是在假定材料沒有任何缺陷的條件下進(jìn)行的。但是，在評(píng)估中所遇到的設(shè)備，特別是在役設(shè)備通常帶有某些缺陷，如使用中形成的裂紋或制造中形成的裂紋、夾渣等。這些缺陷的存在，并不意味著設(shè)備已喪失其使用價(jià)值。一般來說，它還有一定的安全使用壽命。

故在評(píng)估一些造價(jià)很高的大型結(jié)構(gòu)件及大型壓力容器等設(shè)備的價(jià)值時(shí)，要求評(píng)估人員能科學(xué)地估算其剩余自然壽命。

估算存在缺陷設(shè)備的剩余自然壽命，一般以斷裂力學(xué)理論為基礎(chǔ)，采用斷裂韌性試驗(yàn)和無損檢測技術(shù)手段進(jìn)行。

一、疲勞斷裂的基本過程

斷裂力學(xué)理論認(rèn)為：零件的缺陷在循環(huán)載荷的作用下會(huì)逐步擴(kuò)大，當(dāng)缺陷擴(kuò)大到臨界尺寸后將發(fā)生斷裂破壞。這個(gè)過程被稱為疲勞斷裂過程。

疲勞斷裂過程大致可分為四個(gè)階段，即：

1.成核(10 -3mm～10-4mm，第一階段);

2.微觀裂紋擴(kuò)展(10 -2mm ～ 10-1mm，第二階段);

3.宏觀裂紋擴(kuò)展(1mm ～臨界裂紋尺寸，第三階段)

4.斷裂(第四階段)。

其中，第一階段為裂紋萌生階段，第二、第三階段為裂紋的亞臨界擴(kuò)展階段。

在考慮了材料性能參量對(duì)裂紋擴(kuò)展速度的影響后，帕利斯提出了以下裂紋擴(kuò)展速度的半經(jīng)驗(yàn)公式：

△K表示拉應(yīng)力和裂紋尺寸對(duì)裂紋尖端附近應(yīng)力的影響，稱之為應(yīng)力強(qiáng)度因子。

它的大小和應(yīng)力α成正比，和裂紋長度σ的平方根成正比。

二、損傷零件疲勞壽命估算

式中： ——初始斷裂尺寸;

——臨界斷裂尺寸。

[例8]某機(jī)器軸上存在表面裂紋，初始裂紋尺寸 = 3mm，與裂紋平面垂直的應(yīng)力σ= 300 Mpa，在裂紋擴(kuò)展速度的半經(jīng)驗(yàn)公式中：

A= 10-15

n=4

若臨界裂紋尺寸a c=9.38 mm，并且每天出現(xiàn) 20 次應(yīng)力循環(huán)，試計(jì)算該軸的剩余壽命。

解：根據(jù)帕利斯公式得到：

=14946(次)

若按每天20次循環(huán)應(yīng)力計(jì)算，則：

剩余使用壽命=14946/20×365=2.05(年)

三、影響裂紋擴(kuò)展的其他因素

應(yīng)力強(qiáng)度因子幅度ΔK是影響裂紋擴(kuò)展的主要參數(shù)。除此之外，還有很多因素對(duì)裂紋的疲勞擴(kuò)展有影響，如應(yīng)力循環(huán)特征、加載頻率、溫度、環(huán)境介質(zhì)等。

1、應(yīng)力循環(huán)特征的影響。它對(duì)裂紋擴(kuò)展速度影響比較大。

2、加載頻率的影響。當(dāng)Δk值比較高時(shí)，裂紋擴(kuò)展速度和加載頻率成反比關(guān)系。

3、溫度的影響。對(duì)深埋裂紋，當(dāng)溫度低于蠕變溫度時(shí)，溫度對(duì)裂紋擴(kuò)展速度無明顯影響;對(duì)表面裂紋，高溫對(duì)裂紋擴(kuò)展速度影響比較大。

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