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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(méi)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(lái)說(shuō),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(wú)損檢測(cè)技術(shù)手段進(jìn)行。
一、疲勞斷裂的基本過(guò)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(guò)程被稱(chēng)為疲勞斷裂過(guò)程。
疲勞斷裂過(guò)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(chēng)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(zhǎng)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(wú)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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