金屬材料變幅腐蝕疲勞壽命預測方法研究現狀

邊凱舟，張宇峰

（西安石油大學機械工程學院，陜西 西安 710000）

從腐蝕疲勞壽命預測問題的提出至今，關于其預測方式的研究很多[1-4]。在工業生產領用常用的壽命預測方法主要包括名義應立法、應力場強法、局部應力應變法等，它們因其控制參數及假設理論的不同而各具特點[4]。

1 名義應力法

名義應力法是相對其他腐蝕疲勞壽命預測方法來說較為傳統的一種疲勞壽命預測方法[10]。名義應力法的主要思路是以疲勞壽命曲線（S-N曲線）為基礎，試結合實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力和材料應力集中系數Kt作為控制參數對疲勞壽命進行評估。

名義應力法的基本假設為：材料相同的金屬構件，若其腐蝕疲勞載荷譜、應力集中系數Kt皆相同，則其腐蝕疲勞壽命相同。

名義應力法預測金屬構件或材料德腐蝕疲勞壽命的具體步驟如下[5]：

1）計算金屬材料或構件最小截面處所受的名義應力值。2） 查找到盡可能靠近該金屬材料或構件的S-N曲線。若未找到該金屬材料或構件的S-N曲線，則需對其S-N曲線進行腐蝕試驗疲勞研究。如果只是初步估計，則需根據金屬材料的靜態強度特性估計S-N曲線。3）查找該金屬材料或構件的理論應力集中系數Kt。4）通過腐蝕疲勞試驗求得該金屬材料的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）根據上一步中得出的S-N曲線以及該金屬材料試件的名義應力以及疲勞累計損傷理論估算估算試件的腐蝕疲勞壽命。

名義應力法的不足之處主要概括為以下兩點[4]：

1）由于金屬材料或構件的幾何尺寸、材料以及所受名義應力等因素的影響，很難確定標準金屬腐蝕疲勞試件和實際構件之間的等效關系，導致用該方法進行腐蝕疲勞壽命預測時會代價過大；2）該方法未考慮試件缺口根部的局部塑性。

2 應力場強法

應力場強法在腐蝕疲勞構件或材料的缺口處通過該區域內的應力應變場而建立分析模型。該分析模型的基本假設[5]：當相同材料的金屬材料或構件在腐蝕疲勞失效區所承受應力場強度歷程相同時，則它們的腐蝕疲勞壽命相等。應力場強法提出一種用于描述金屬材料或構件缺口處應力場強度的函數[6]，如下式：

式中：σF1為試件缺口處應力場強度，M為試件缺口破壞區域面積，V為試件缺口區域體積，f(σij)為應力函數，φ(r)為權函數。

應力場強法特點有以下幾點：

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件的缺口或根部處的應力應變場；2）對腐蝕疲勞試件的尺寸參數、缺口系數及有缺口的金屬材料或構件的S-N曲線；3）考慮到了金屬材料或構件的缺口處的最大應力、材料參數及應力應變關系等因素對應力場強度分析中。

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

3 局部應力應變法

局部應力應變法使用光滑時間的腐蝕疲勞壽命來模擬具有應力應變集中的構件的腐蝕疲勞壽命，認為金屬材料或構件的應力應變在一定程度上決定了金屬材料或構件的應力集中處的疲勞強度及疲勞壽命。其基本假定：若一金屬構件或材料的危險處的應力應變歷程與光滑金屬材料試件的應力應變歷程相同，則他們的腐蝕疲勞命受壽命相同[7]。

局部應力應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點，并求出其名義應力譜；

第二步，運用彈塑性有限元法計算出金屬試件的局部應力應變譜，并查找出該應力水平下的應變-壽命曲線；

第三步，在疲勞累積損傷理論基礎上計算金屬試件的危險點的腐蝕疲勞壽命。

該方法考慮了金屬試件危險點的局部塑性，并能較為合理的金屬腐蝕疲勞試件與實際構件的等效關系。但它也有不足之處，即“點應力準則”[9]，所以局部應力應變法未能考慮金屬材料構件缺口處的應力變化梯度、多軸應力對腐蝕疲勞壽命的影響。

該分析方法主要根據零件材料的疲勞應變數據用于金屬構件在較高應力作用下的腐蝕疲勞壽命估算。

4 容限損傷法

容限損傷法假設金屬材料或構件具有初始腐蝕疲勞裂紋，利用從初始疲勞裂紋長度擴展到臨界疲勞裂紋長度所需的時間來預估的腐蝕疲勞壽命[12]。

容限損傷法進行分析計算時的具體步驟如下：

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，對金屬零件中的疲勞裂紋長度通過無損檢測手段進行檢測；

第三步，根據腐蝕疲勞裂紋擴展速率公式計算得出由不同等級的應力水平作用下的腐蝕疲勞裂紋擴展速率，進而計算分析得金屬材料或出構件的腐蝕疲勞壽命。

實際工業生產中，微裂紋經常在產品零件加工后發生。損傷容限方法允許在斷裂力學的基礎上存在裂紋。通過無損檢測技術，該產品可在可控制的裂紋擴展范圍內使用。從某種意義上說，這種方法具有更好的經濟性。容限損傷法主要用于現代飛機結構的設計和維護。但由于該方法的提出時間較晚，因此缺少大量數據和經驗來驗證其合理性。

5 結語

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測方法外，還有應力嚴重系數法、額定系數法、有效應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測方法更符合實際工況等問題。在目前的金屬材料腐蝕疲勞壽命預測方法中，局部應力應變法是實際科研工作中最常用且最為合理有效的；而應力場強法分析計算方法較為復雜，但隨著有限元技術的不斷發展，使其具有較大的發展潛力。綜上所述，如何建立一個可在各種條件下通用的金屬材料腐蝕疲勞壽命預測模型是我們在未來很長一段時間內墓里的方向。