邊凱舟，張宇峰

（西安石油大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710000）

從腐蝕疲勞壽命預(yù)測問題的提出至今，關(guān)于其預(yù)測方式的研究很多[1-4]。在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)用常用的壽命預(yù)測方法主要包括名義應(yīng)立法、應(yīng)力場強(qiáng)法、局部應(yīng)力應(yīng)變法等，它們因其控制參數(shù)及假設(shè)理論的不同而各具特點(diǎn)[4]。

1 名義應(yīng)力法

名義應(yīng)力法是相對(duì)其他腐蝕疲勞壽命預(yù)測方法來說較為傳統(tǒng)的一種疲勞壽命預(yù)測方法[10]。名義應(yīng)力法的主要思路是以疲勞壽命曲線（S-N曲線）為基礎(chǔ)，試結(jié)合實(shí)際工況中影響腐蝕疲勞壽命的各種因素，將疲勞試件的名義應(yīng)力和材料應(yīng)力集中系數(shù)Kt作為控制參數(shù)對(duì)疲勞壽命進(jìn)行評(píng)估。

名義應(yīng)力法的基本假設(shè)為：材料相同的金屬構(gòu)件，若其腐蝕疲勞載荷譜、應(yīng)力集中系數(shù)Kt皆相同，則其腐蝕疲勞壽命相同。

名義應(yīng)力法預(yù)測金屬構(gòu)件或材料德腐蝕疲勞壽命的具體步驟如下[5]：

1）計(jì)算金屬材料或構(gòu)件最小截面處所受的名義應(yīng)力值。2） 查找到盡可能靠近該金屬材料或構(gòu)件的S-N曲線。若未找到該金屬材料或構(gòu)件的S-N曲線，則需對(duì)其S-N曲線進(jìn)行腐蝕試驗(yàn)疲勞研究。如果只是初步估計(jì)，則需根據(jù)金屬材料的靜態(tài)強(qiáng)度特性估計(jì)S-N曲線。3）查找該金屬材料或構(gòu)件的理論應(yīng)力集中系數(shù)Kt。4）通過腐蝕疲勞試驗(yàn)求得該金屬材料的S-N曲線或查閱資料求出該材料的試件在該Kt值下的S-N曲線。5）根據(jù)上一步中得出的S-N曲線以及該金屬材料試件的名義應(yīng)力以及疲勞累計(jì)損傷理論估算估算試件的腐蝕疲勞壽命。

名義應(yīng)力法的不足之處主要概括為以下兩點(diǎn)[4]：

1）由于金屬材料或構(gòu)件的幾何尺寸、材料以及所受名義應(yīng)力等因素的影響，很難確定標(biāo)準(zhǔn)金屬腐蝕疲勞試件和實(shí)際構(gòu)件之間的等效關(guān)系，導(dǎo)致用該方法進(jìn)行腐蝕疲勞壽命預(yù)測時(shí)會(huì)代價(jià)過大；2）該方法未考慮試件缺口根部的局部塑性。

2 應(yīng)力場強(qiáng)法

應(yīng)力場強(qiáng)法在腐蝕疲勞構(gòu)件或材料的缺口處通過該區(qū)域內(nèi)的應(yīng)力應(yīng)變場而建立分析模型。該分析模型的基本假設(shè)[5]：當(dāng)相同材料的金屬材料或構(gòu)件在腐蝕疲勞失效區(qū)所承受應(yīng)力場強(qiáng)度歷程相同時(shí)，則它們的腐蝕疲勞壽命相等。應(yīng)力場強(qiáng)法提出一種用于描述金屬材料或構(gòu)件缺口處應(yīng)力場強(qiáng)度的函數(shù)[6]，如下式：

式中：σF1為試件缺口處應(yīng)力場強(qiáng)度，M為試件缺口破壞區(qū)域面積，V為試件缺口區(qū)域體積，f(σij)為應(yīng)力函數(shù)，φ(r)為權(quán)函數(shù)。

應(yīng)力場強(qiáng)法特點(diǎn)有以下幾點(diǎn)：

1）與其他腐蝕疲勞壽命分析方法不同的是，該方法考慮金屬材料或構(gòu)件的缺口或根部處的應(yīng)力應(yīng)變場；2）對(duì)腐蝕疲勞試件的尺寸參數(shù)、缺口系數(shù)及有缺口的金屬材料或構(gòu)件的S-N曲線；3）考慮到了金屬材料或構(gòu)件的缺口處的最大應(yīng)力、材料參數(shù)及應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系等因素對(duì)應(yīng)力場強(qiáng)度分析中。

該腐蝕疲勞壽命預(yù)測方法因未考慮金屬構(gòu)件或材料的缺口部位的的局部塑形，造成腐蝕疲勞的預(yù)測壽命和實(shí)際壽命有較大差距[11]。

3 局部應(yīng)力應(yīng)變法

局部應(yīng)力應(yīng)變法使用光滑時(shí)間的腐蝕疲勞壽命來模擬具有應(yīng)力應(yīng)變集中的構(gòu)件的腐蝕疲勞壽命，認(rèn)為金屬材料或構(gòu)件的應(yīng)力應(yīng)變?cè)谝欢ǔ潭壬蠜Q定了金屬材料或構(gòu)件的應(yīng)力集中處的疲勞強(qiáng)度及疲勞壽命。其基本假定：若一金屬構(gòu)件或材料的危險(xiǎn)處的應(yīng)力應(yīng)變歷程與光滑金屬材料試件的應(yīng)力應(yīng)變歷程相同，則他們的腐蝕疲勞命受壽命相同[7]。

局部應(yīng)力應(yīng)變法估算腐蝕疲勞壽命的具體步驟[8]：

第一步，找出金屬試件的腐蝕疲勞危險(xiǎn)點(diǎn)，并求出其名義應(yīng)力譜；

第二步，運(yùn)用彈塑性有限元法計(jì)算出金屬試件的局部應(yīng)力應(yīng)變譜，并查找出該應(yīng)力水平下的應(yīng)變-壽命曲線；

第三步，在疲勞累積損傷理論基礎(chǔ)上計(jì)算金屬試件的危險(xiǎn)點(diǎn)的腐蝕疲勞壽命。

該方法考慮了金屬試件危險(xiǎn)點(diǎn)的局部塑性，并能較為合理的金屬腐蝕疲勞試件與實(shí)際構(gòu)件的等效關(guān)系。但它也有不足之處，即“點(diǎn)應(yīng)力準(zhǔn)則”[9]，所以局部應(yīng)力應(yīng)變法未能考慮金屬材料構(gòu)件缺口處的應(yīng)力變化梯度、多軸應(yīng)力對(duì)腐蝕疲勞壽命的影響。

該分析方法主要根據(jù)零件材料的疲勞應(yīng)變數(shù)據(jù)用于金屬構(gòu)件在較高應(yīng)力作用下的腐蝕疲勞壽命估算。

4 容限損傷法

容限損傷法假設(shè)金屬材料或構(gòu)件具有初始腐蝕疲勞裂紋，利用從初始疲勞裂紋長度擴(kuò)展到臨界疲勞裂紋長度所需的時(shí)間來預(yù)估的腐蝕疲勞壽命[12]。

容限損傷法進(jìn)行分析計(jì)算時(shí)的具體步驟如下：

第一步，確定所使用的金屬材料的臨界疲勞裂紋長度；

第二步，對(duì)金屬零件中的疲勞裂紋長度通過無損檢測手段進(jìn)行檢測；

第三步，根據(jù)腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)展速率公式計(jì)算得出由不同等級(jí)的應(yīng)力水平作用下的腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)展速率，進(jìn)而計(jì)算分析得金屬材料或出構(gòu)件的腐蝕疲勞壽命。

實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中，微裂紋經(jīng)常在產(chǎn)品零件加工后發(fā)生。損傷容限方法允許在斷裂力學(xué)的基礎(chǔ)上存在裂紋。通過無損檢測技術(shù)，該產(chǎn)品可在可控制的裂紋擴(kuò)展范圍內(nèi)使用。從某種意義上說，這種方法具有更好的經(jīng)濟(jì)性。容限損傷法主要用于現(xiàn)代飛機(jī)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和維護(hù)。但由于該方法的提出時(shí)間較晚，因此缺少大量數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)來驗(yàn)證其合理性。

5 結(jié)語

金屬材料腐蝕疲勞壽命估算的方法有很多，除本文中介紹的三種常用的腐蝕疲勞壽命預(yù)測方法外，還有應(yīng)力嚴(yán)重系數(shù)法、額定系數(shù)法、有效應(yīng)力法和容限損傷法等，但仍有較多的問題需科研工作者去深入研究，比如分階段研究腐蝕疲勞壽命、如何選擇合理的腐蝕疲勞壽命預(yù)測方法更符合實(shí)際工況等問題。在目前的金屬材料腐蝕疲勞壽命預(yù)測方法中，局部應(yīng)力應(yīng)變法是實(shí)際科研工作中最常用且最為合理有效的；而應(yīng)力場強(qiáng)法分析計(jì)算方法較為復(fù)雜，但隨著有限元技術(shù)的不斷發(fā)展，使其具有較大的發(fā)展?jié)摿?。綜上所述，如何建立一個(gè)可在各種條件下通用的金屬材料腐蝕疲勞壽命預(yù)測模型是我們?cè)谖磥砗荛L一段時(shí)間內(nèi)墓里的方向。