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第四节　损伤零件寿命估算

常规疲劳寿命计算都是在假定材料没有任何缺陷的条件下进行的。但是，在评估中所遇到的设备，特别是在役设备通常带有某些缺陷，如使用中形成的裂纹或制造中形成的裂纹、夹渣等。这些缺陷的存在，并不意味着设备已丧失其使用价值。一般来说，它还有一定的安全使用寿命。

故在评估一些造价很高的大型结构件及大型压力容器等设备的价值时，要求评估人员能科学地估算其剩余自然寿命。

估算存在缺陷设备的剩余自然寿命，一般以断裂力学理论为基础，采用断裂韧性试验和无损检测技术手段进行。

一、疲劳断裂的基本过程

断裂力学理论认为：零件的缺陷在循环载荷的作用下会逐步扩大，当缺陷扩大到临界尺寸后将发生断裂破坏。这个过程被称为疲劳断裂过程。

疲劳断裂过程大致可分为四个阶段，即：

1.成核(10 -3mm～10-4mm，第一阶段);

2.微观裂纹扩展(10 -2mm ～ 10-1mm，第二阶段);

3.宏观裂纹扩展(1mm ～临界裂纹尺寸，第三阶段)

4.断裂(第四阶段)。

其中，第一阶段为裂纹萌生阶段，第二、第三阶段为裂纹的亚临界扩展阶段。

在考虑了材料性能参量对裂纹扩展速度的影响后，帕利斯提出了以下裂纹扩展速度的半经验公式：

△K表示拉应力和裂纹尺寸对裂纹尖端附近应力的影响，称之为应力强度因子。

它的大小和应力α成正比，和裂纹长度σ的平方根成正比。

二、损伤零件疲劳寿命估算

式中： ——初始断裂尺寸;

——临界断裂尺寸。

[例8]某机器轴上存在表面裂纹，初始裂纹尺寸 = 3mm，与裂纹平面垂直的应力σ= 300 Mpa，在裂纹扩展速度的半经验公式中：

A= 10-15

n=4

若临界裂纹尺寸a c=9.38 mm，并且每天出现 20 次应力循环，试计算该轴的剩余寿命。

解：根据帕利斯公式得到：

=14946(次)

若按每天20次循环应力计算，则：

剩余使用寿命=14946/20×365=2.05(年)

三、影响裂纹扩展的其他因素

应力强度因子幅度ΔK是影响裂纹扩展的主要参数。除此之外，还有很多因素对裂纹的疲劳扩展有影响，如应力循环特征、加载频率、温度、环境介质等。

1、应力循环特征的影响。它对裂纹扩展速度影响比较大。

2、加载频率的影响。当Δk值比较高时，裂纹扩展速度和加载频率成反比关系。

3、温度的影响。对深埋裂纹，当温度低于蠕变温度时，温度对裂纹扩展速度无明显影响;对表面裂纹，高温对裂纹扩展速度影响比较大。

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（责任编辑：中大编辑）

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