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第四節　損傷零件壽命估算

常規疲勞壽命計算都是在假定材料沒有任何缺陷的條件下進行的。但是，在評估中所遇到的設備，特別是在役設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，并不意味著設備已喪失其使用價值。一般來說，它還有一定的安全使用壽命。

故在評估一些造價很高的大型結構件及大型壓力容器等設備的價值時，要求評估人員能科學地估算其剩余自然壽命。

估算存在缺陷設備的剩余自然壽命，一般以斷裂力學理論為基礎，采用斷裂韌性試驗和無損檢測技術手段進行。

一、疲勞斷裂的基本過程

斷裂力學理論認為：零件的缺陷在循環載荷的作用下會逐步擴大，當缺陷擴大到臨界尺寸后將發生斷裂破壞。這個過程被稱為疲勞斷裂過程。

疲勞斷裂過程大致可分為四個階段，即：

1.成核(10 -3mm～10-4mm，第一階段);

2.微觀裂紋擴展(10 -2mm ～ 10-1mm，第二階段);

3.宏觀裂紋擴展(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展階段。

在考慮了材料性能參量對裂紋擴展速度的影響后，帕利斯提出了以下裂紋擴展速度的半經驗公式：

△K表示拉應力和裂紋尺寸對裂紋尖端附近應力的影響，稱之為應力強度因子。

它的大小和應力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力σ= 300 Mpa，在裂紋擴展速度的半經驗公式中：

A= 10-15

n=4

若臨界裂紋尺寸a c=9.38 mm，并且每天出現 20 次應力循環，試計算該軸的剩余壽命。

解：根據帕利斯公式得到：

=14946(次)

若按每天20次循環應力計算，則：

剩余使用壽命=14946/20×365=2.05(年)

三、影響裂紋擴展的其他因素

應力強度因子幅度ΔK是影響裂紋擴展的主要參數。除此之外，還有很多因素對裂紋的疲勞擴展有影響，如應力循環特征、加載頻率、溫度、環境介質等。

1、應力循環特征的影響。它對裂紋擴展速度影響比較大。

2、加載頻率的影響。當Δk值比較高時，裂紋擴展速度和加載頻率成反比關系。

3、溫度的影響。對深埋裂紋，當溫度低于蠕變溫度時，溫度對裂紋擴展速度無明顯影響;對表面裂紋，高溫對裂紋擴展速度影響比較大。

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（責任編輯：中大編輯）

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