張福澤

北京航空工程技術(shù)研究中心,北京 100076

眾所周知,金屬腐蝕容限D(zhuǎn)c和日歷壽命(使用時(shí)間)屬于古老的腐蝕學(xué)科。五百多年來(lái),腐蝕學(xué)科從微觀到宏觀已研究很深很透,各種論文如云似海。但由于影響金屬腐蝕的因素多樣且復(fù)雜,因此在國(guó)際腐蝕領(lǐng)域,一直致力于解決真實(shí)環(huán)境和受力的腐蝕損傷容限D(zhuǎn)c和日歷壽命確定問題,但至今仍未解決。如這2個(gè)難題不解決,就無(wú)法控制機(jī)件使用時(shí)間,致使在腐蝕環(huán)境下工作的金屬機(jī)件無(wú)控制地使用,當(dāng)機(jī)件的腐蝕損傷值大于腐蝕損傷容限D(zhuǎn)c值,則會(huì)發(fā)生破裂或爆炸,甚至引起重大事故發(fā)生,造成經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。距世界各國(guó)統(tǒng)計(jì),每年由腐蝕造成的平均經(jīng)濟(jì)損失達(dá)GDP的3%左右。損失如此巨大,可見給出各種金屬機(jī)件的腐蝕損傷容限D(zhuǎn)c和使用日歷壽命至關(guān)重要。只有解決以上2個(gè)難題,才能減少或避免因腐蝕造成的災(zāi)難事故和重大經(jīng)濟(jì)損失。

在國(guó)際上曾有多次(中國(guó)2次)因疲勞斷裂問題引起飛機(jī)失事?？蒲腥藛T通過(guò)理論計(jì)算和試驗(yàn)給出飛機(jī)疲勞壽命,并用此壽命指標(biāo)控制飛機(jī)飛行時(shí)間,解決了上述問題。因腐蝕問題導(dǎo)致飛機(jī)失事問題,也應(yīng)這樣解決。但在國(guó)際上,一直無(wú)法給出飛機(jī)日歷壽命,直接影響飛機(jī)使用和飛行安全,因此筆者才介入日歷壽命研究。經(jīng)過(guò)20余年研究,在國(guó)際上首先研究出一套較完整的確定機(jī)件日歷壽命的理論和方法,研究相關(guān)成果都發(fā)表在《航空學(xué)報(bào)》上。為使讀者便于查閱,現(xiàn)把相關(guān)內(nèi)容和論文整理如下：

1)發(fā)現(xiàn)了金屬和防護(hù)涂層的4條腐蝕規(guī)律線[1-4],為推導(dǎo)日歷壽命公式打下基礎(chǔ)。

2)研究出計(jì)算金屬和防護(hù)涂層的日歷壽命公式和確定方法[1-12]。

3)研究出金屬機(jī)件總?cè)諝v壽命和翻修期的計(jì)算公式和確定方法[13]。

4)研究出金屬機(jī)件可靠性處理的原理和方法[14-15]。

5)研究出等腐蝕損傷三維溫濕譜的編制原理和方法[16-22]。

6)研究出機(jī)件日歷壽命的“區(qū)域定壽法”[23]。

7)通過(guò)多方面試驗(yàn)驗(yàn)證和一種飛機(jī)日歷壽命計(jì)算,成功地驗(yàn)證了本套日歷壽命確定理論和方法是正確的和可行的[18,24-26]。

上述研究成果,解決了機(jī)件日歷壽命的理論計(jì)算和確定方法問題。但解決不了腐蝕損傷容限D(zhuǎn)c取值問題。腐蝕損傷容限D(zhuǎn)c是機(jī)件腐蝕損傷的控制標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)不準(zhǔn)確,就無(wú)法給出準(zhǔn)確的日歷壽命,更無(wú)法制定腐蝕損傷的使用檢查標(biāo)準(zhǔn)。

筆者認(rèn)為,為了能獲取準(zhǔn)確的真實(shí)Dc值,在確定Dc時(shí),必須把機(jī)件使用的真實(shí)環(huán)境參數(shù)和真實(shí)受力考慮進(jìn)去,如：同一機(jī)件,在同一腐蝕環(huán)境下使用,受不同載荷作用,則有不同的腐蝕損傷容限D(zhuǎn)c值；同一機(jī)件,在同一載荷作用下,受不同腐蝕環(huán)境的作用,也有不同的腐蝕損傷容限D(zhuǎn)c值；同樣,同一機(jī)件的疲勞壽命和日歷壽命,也有各自的腐蝕損傷容限D(zhuǎn)c值。這些客觀存在的因素,在確定腐蝕損傷容限D(zhuǎn)c值時(shí)必須考慮,否則,給不出機(jī)件在不同狀態(tài)下使用的真實(shí)腐蝕損傷容限D(zhuǎn)c值。但至今,在國(guó)際機(jī)械和腐蝕領(lǐng)域尚沒有這方面的研究成果發(fā)表。

本文針對(duì)上述國(guó)際未解決的問題進(jìn)行了如下研究：①受靜載荷機(jī)件的腐蝕損傷容限；② 受疲勞載荷機(jī)件的腐蝕損傷容限；③ 同時(shí)受靜載荷和疲勞載荷作用機(jī)件的腐蝕損傷容限；④ 同一機(jī)件的疲勞壽命與日歷壽命皆安全的腐蝕損傷容限；⑤ 同一機(jī)件的疲勞壽命與日歷壽命的匹配設(shè)計(jì)、匹配使用、以及它們確定的程序等。

1 受靜載荷機(jī)件的腐蝕損傷容限D(zhuǎn)c的求解原理和方法

1.1 求解原理

1)假設(shè)

① 機(jī)件受靜載荷作用,其工作應(yīng)力為σ,容限應(yīng)力為σp,破壞應(yīng)力為σb；

② 機(jī)件在腐蝕環(huán)境下使用,腐蝕損傷為D,腐蝕損傷容限為Dc。

2)機(jī)件的工作應(yīng)力σ分析

① 機(jī)件隨腐蝕損傷D的增加,工作應(yīng)力σ增加,當(dāng)σ增至容限應(yīng)力σp時(shí),不允許再腐蝕；

② 機(jī)件腐蝕工作應(yīng)力σ超過(guò)容限應(yīng)力σp,再腐蝕會(huì)使σ很快達(dá)到機(jī)件極限破壞應(yīng)力σb,使機(jī)件破裂。

3)機(jī)件腐蝕損傷D分析

① 機(jī)件未腐蝕時(shí),腐蝕損傷D=0；

② 機(jī)件隨著腐蝕時(shí)間H的增加,腐蝕損傷D隨之增加；

③ 機(jī)件隨著腐蝕時(shí)間H的增加,當(dāng)D=Dc時(shí),不允許再腐蝕,Dc為該機(jī)件的腐蝕損傷容限值。

4)D與σ的綜合分析

① 機(jī)件某部位的工作應(yīng)力σ與承載面積S的關(guān)系曲線

現(xiàn)假設(shè)機(jī)件受靜載荷P作用,P=1 000 kg,承載面積S=100 cm2,并令S以10%的梯度遞減,計(jì)算遞增的σ,如表1所示,并據(jù)此作出機(jī)件受靜載時(shí)的σ-S分布曲線,如圖1所示。

表1 機(jī)件受單向拉力P=1 000 kg承載面積S=100 cm2的σ-S值

從圖1分析出,在機(jī)件受載不變情況下,機(jī)件的應(yīng)力σ隨承載面積S遞減而增加；在S遞減至60%之前,σ隨S的增長(zhǎng)規(guī)律是比較緩慢的,而且σ與S近似呈線性增長(zhǎng)關(guān)系；當(dāng)S從20%降至10%時(shí),則σ從50 kg/cm2急升至100 kg/cm2,即面積S降低10%,應(yīng)力σ提升了一倍?？梢哉f(shuō),這段曲線呈指數(shù)式增長(zhǎng)。這說(shuō)明剩余面積較小時(shí),再降低同等面積會(huì)引起應(yīng)力急劇增加,直至極限破壞應(yīng)力σb,引起機(jī)件破裂失效。

圖1 受靜載荷機(jī)件的應(yīng)力隨承載面積減小的分布曲線

由這條σ-S分布曲線得出：在確定腐蝕損傷容限時(shí),不能在指數(shù)增長(zhǎng)區(qū)中確定,要在線性區(qū)確定腐蝕損傷容限值。

② 機(jī)件同一部位的腐蝕損傷D與應(yīng)力σ關(guān)系曲線

機(jī)件同一部位的腐蝕損傷D由輕到重,會(huì)引起該部位的承載面積S由大變小,即工作應(yīng)力σ由小變大,由此可得：機(jī)件的σ隨D增大而增大,對(duì)不同腐蝕材料的D與σ的分布曲線可能有所不同,但機(jī)件的工作應(yīng)力σ隨腐蝕損傷D增長(zhǎng)而提高的總趨勢(shì)是一致的。σ與D的這種變化曲線在文獻(xiàn)[25]中給出例證。

文獻(xiàn)[25]在LY12CZ鋁合金腐蝕坑深度t與腐蝕坑周邊應(yīng)力σ的研究中,給出圖2的分布曲線。圖2的縱坐標(biāo)是腐蝕周邊最大應(yīng)力σ,橫坐標(biāo)是腐蝕坑平均深度t除以試件厚度H1的比值t/H1。從圖2看出,應(yīng)力σ隨腐蝕坑深度提高而提高的總趨勢(shì)是存在的,但曲線在不同發(fā)展階段,其速率是不同的：在t/H1等于1/5之前,腐蝕坑應(yīng)力σ隨腐蝕坑深度的變化速率比較平緩,而且近似直線,之后則速率急劇增大。這說(shuō)明,LY12CZ鋁合金的腐蝕損傷D與工作應(yīng)力σ的關(guān)系,基本符合圖1的分布規(guī)律,即圖1與圖2曲線前中段,都近似線性曲線。本文需要的也是這段線性曲線。

圖2 LY12CZ鋁合金腐蝕坑應(yīng)力隨t/H1減小的分布曲線

5)求解

眾所周知,受靜載荷作用的機(jī)件,它的設(shè)計(jì)極限應(yīng)力是σb(破壞應(yīng)力),屬于機(jī)件使用安全規(guī)范規(guī)定,它的使用容限應(yīng)力σp=σb/f(f是安全系數(shù))。機(jī)件在使用過(guò)程中,其工作應(yīng)力一般要小于或等于σp,因此σp是確定腐蝕損傷容限的強(qiáng)度容限指標(biāo)。

通過(guò)上述圖1的應(yīng)力σ隨承載面積S減小的曲線研究和圖2的金屬腐蝕損傷D(腐蝕坑平均深度)與應(yīng)力變化曲線分析,可以得出：無(wú)論是機(jī)件面積S減少,還是機(jī)件腐蝕損傷D增加,都會(huì)引起應(yīng)力的增長(zhǎng),在面積S減少或腐蝕損傷D增加的前中期,應(yīng)力σ隨D(或S)的變化速率比較緩慢,其變化曲線近似直線。由此可以推斷：某些受靜載荷的機(jī)件,在腐蝕的前中期,其應(yīng)力σ與腐蝕損傷D存在如圖3的線性關(guān)系。

圖3 受靜載機(jī)件在腐蝕前中期的腐蝕損傷與應(yīng)力的關(guān)系曲線

有了圖3的曲線,再根據(jù)受靜載荷關(guān)鍵機(jī)件的容限應(yīng)力σp,便可求出受靜載荷機(jī)件的腐蝕損傷容限D(zhuǎn)c,如圖3箭頭所示。

1.2 求解方法與步驟

1)按文獻(xiàn)[16]編譜原理,編制真實(shí)使用環(huán)境的等損傷高溫濕譜。

2)統(tǒng)計(jì)或?qū)崪y(cè)真實(shí)使用環(huán)境的各種介質(zhì)并配制一級(jí)高濃度d1。

3)模擬關(guān)鍵機(jī)件,制造可用于腐蝕和受靜載荷的試驗(yàn)件。如果求腐蝕損傷容限的機(jī)件,已有某種損傷和缺陷,在制造試件時(shí)要模擬。共4組試件,每組3個(gè)試件。

4)用等損傷高溫濕譜和一級(jí)高濃度d1進(jìn)行靜載荷和腐蝕試驗(yàn),這個(gè)試驗(yàn)對(duì)不同腐蝕速率的材料要進(jìn)行不同試驗(yàn)時(shí)間,其中：t1

① 一組試件的每個(gè)試件,用等損傷高溫濕譜和一級(jí)高濃度d1,進(jìn)行t1個(gè)譜塊的靜載荷和腐蝕試驗(yàn)后,再進(jìn)行腐蝕損傷D′1測(cè)量,最后拉斷試件,測(cè)出斷裂應(yīng)力σ1。

② 一組試件的每個(gè)試件,用等損傷高溫濕譜和一級(jí)高濃度d1,進(jìn)行t2個(gè)譜塊的靜載荷和腐蝕試驗(yàn)后,再進(jìn)行腐蝕損傷D′2測(cè)量,最后拉斷試件,測(cè)出斷裂應(yīng)力σ2。

③ 一組試件的每個(gè)試件,用等損傷高溫濕譜和一級(jí)高濃度d1,進(jìn)行t3個(gè)譜塊的靜載荷和腐蝕試驗(yàn)后,再進(jìn)行腐蝕損傷D′3測(cè)量,最后拉斷試件,測(cè)出斷裂應(yīng)力σ3。

④ 一組試件的每個(gè)試件,用等損傷高溫濕譜和一級(jí)高濃度d1,進(jìn)行t4個(gè)譜塊的靜載荷和腐蝕試驗(yàn)后,再進(jìn)行腐蝕損傷D′4測(cè)量,最后拉斷試件,測(cè)出斷裂應(yīng)力σ4。

⑤ 檢驗(yàn)σ-D曲線關(guān)系,若非近似線性關(guān)系,可通過(guò)調(diào)整腐蝕時(shí)間再試。

⑥ 用文獻(xiàn)[5]中“3等線”原理,求使用環(huán)境(d=1)的腐蝕損傷：D1=D′1/d1、D2=D′2/d1、D3=D′3/d1、D4=D′4/d1。

5)用σ1、σ2、σ3、σ4和D1、D2、D3、D4,繪制σ-D曲線,如圖3。

6)用關(guān)鍵機(jī)件的容限應(yīng)力σp求腐蝕損傷容限D(zhuǎn)c,如圖3箭頭線所示。

2 受疲勞載荷機(jī)件的腐蝕損傷容限D(zhuǎn)c的求解原理和方法

2.1 求解原理

1)假設(shè)

① 機(jī)件受疲勞載荷作用,其工作應(yīng)力為σi,疲勞壽命為Ni,總疲勞壽命為Np。

② 機(jī)件在腐蝕環(huán)境下工作,其腐蝕損傷為D,腐蝕損傷容限為Dc。

2)機(jī)件某一部位的工作應(yīng)力σ與疲勞壽命N的關(guān)系曲線

根據(jù)疲勞領(lǐng)域的公認(rèn)結(jié)論：即機(jī)件的工作應(yīng)力σi與疲勞壽命Ni存在如圖4的σ-N曲線,即統(tǒng)稱S-N曲線。

3)機(jī)件某一部位的工作應(yīng)力σ與腐蝕損傷D關(guān)系曲線

根據(jù)本文1.1節(jié)的研究結(jié)論：在機(jī)件工作應(yīng)力σ與腐蝕損傷D的分布曲線中,前中期的σ與D曲線,呈近似線性關(guān)系,如圖5所示。

4)機(jī)件的疲勞壽命N與腐蝕損傷D的關(guān)系曲線

①N與D曲線

現(xiàn)假定圖4和圖5中的應(yīng)力σ1、σ2、σ3、σ4是同一機(jī)件同一部位的4級(jí)工作應(yīng)力。用這組應(yīng)力σi,分別在圖4和圖5的曲線中,找出對(duì)應(yīng)的Ni與Di值,由此可得圖6的疲勞壽命N與腐蝕損傷D的對(duì)應(yīng)曲線關(guān)系圖。這說(shuō)明同一部位的腐蝕損傷D大,則壽命N低,D小則N大。

圖4 σ-N分布曲線

圖5 σ-D關(guān)系曲線

圖6 N-D關(guān)系曲線

②N與D曲線的試驗(yàn)例證

本文把文獻(xiàn)[25]中第7頁(yè)上的疲勞試驗(yàn)壽命與腐蝕損傷關(guān)系圖,轉(zhuǎn)化為圖7的疲勞試驗(yàn)壽命N與腐蝕損傷D的關(guān)系曲線,圖7上的數(shù)據(jù)為原圖的數(shù)據(jù)。其中：a點(diǎn)是一組未腐蝕(D=0)試件的疲勞試驗(yàn)平均壽命；b、c兩點(diǎn)是兩組試件分別進(jìn)行20天的40 ℃和60 ℃的腐蝕試驗(yàn)后的疲勞試驗(yàn)平均壽命。

從圖7的a-b-c試驗(yàn)曲線看出,它的分布規(guī)律與圖6的論證曲線分布規(guī)律是一致的,這說(shuō)明同一腐蝕疲勞部位的腐蝕損傷D與疲勞壽命N存在圖6的分布關(guān)系。

圖7 腐蝕試件的N-D關(guān)系曲線

5)求Dc

再根據(jù)圖6的疲勞壽命N與腐蝕損傷D的關(guān)系曲線,便可求出機(jī)件在總使用壽命Np下的腐蝕損傷容限值Dc,如圖8所示。

圖8 用總疲勞壽命求損傷容限示意圖

2.2 求解方法和步驟

1)用文獻(xiàn)[16]的編譜原理,編制真實(shí)環(huán)境的等損傷高溫濕譜。

2)統(tǒng)計(jì)或?qū)崪y(cè)真實(shí)環(huán)境的各種介質(zhì),并配制一級(jí)高濃度d1。

3)編制疲勞關(guān)鍵件的疲勞載荷譜,可用機(jī)件疲勞定壽的載荷譜,但要與溫濕譜配套,如各1年的譜。

4)模擬疲勞關(guān)鍵件,制作可進(jìn)行腐蝕和疲勞試驗(yàn)的試件。如果求腐蝕損傷容限的機(jī)件有初始損傷,在制作試件時(shí)要模擬。

5)求使用環(huán)境(d=1)的腐蝕損傷：

① 對(duì)一組3個(gè)試件,用等損傷高溫濕譜和一級(jí)高濃度d1,進(jìn)行t1個(gè)譜塊的腐蝕試驗(yàn),在試驗(yàn)中還要用與t1配套的疲勞載荷譜,在0.5t1處,進(jìn)行疲勞試驗(yàn)。然后進(jìn)行平均腐蝕損傷D′1測(cè)量。

② 對(duì)一組3個(gè)試件,用等損傷高溫濕譜和一級(jí)高濃度d1,進(jìn)行t2個(gè)譜塊的腐蝕試驗(yàn),在試驗(yàn)中還要用與t2配套的疲勞載荷譜,在0.5t2處,進(jìn)行疲勞試驗(yàn)。然后進(jìn)行平均腐蝕損傷D′2測(cè)量。

③ 對(duì)一組3個(gè)試件,用等損傷高溫濕譜和一級(jí)高濃度d1,進(jìn)行t3個(gè)譜塊的腐蝕試驗(yàn),在試驗(yàn)中還要用與t3配套的疲勞載荷譜,在0.5t3處,進(jìn)行疲勞試驗(yàn)。然后進(jìn)行平均腐蝕損傷D′3測(cè)量。

④ 對(duì)一組3個(gè)試件,用等損傷高溫濕譜和一級(jí)高濃度d1,進(jìn)行t4個(gè)譜塊的腐蝕試驗(yàn),在試驗(yàn)中還要用與t4配套的疲勞載荷譜,在0.5t4處,進(jìn)行疲勞試驗(yàn)。然后進(jìn)行平均腐蝕損傷D′4測(cè)量。

⑤ 用腐蝕“3等線”原理,求使用環(huán)境(d=1)的腐蝕損傷：D1=D′1/d1、D2=D′2/d1、D3=D′3/d1、D4=D′4/d1。

6)求D1、D2、D3、D4對(duì)應(yīng)的疲勞壽命N1、N2、N3、N4

① 對(duì)一組5個(gè)試件,用使用環(huán)境濃度(d=1)和等損傷高溫濕譜,進(jìn)行t1個(gè)譜塊的腐蝕試驗(yàn),在試驗(yàn)中還要用與t1配套的疲勞載荷譜,在0.5t1處,進(jìn)行疲勞試驗(yàn)。然后,用同一載荷譜進(jìn)行疲勞斷裂試驗(yàn),測(cè)出疲勞壽命N1。

② 對(duì)一組5個(gè)試件,用使用環(huán)境濃度(d=1)和等損傷高溫濕譜,進(jìn)行t2個(gè)譜塊的腐蝕試驗(yàn),在試驗(yàn)中還要用與t2配套的疲勞載荷譜,在0.5t2處,進(jìn)行疲勞試驗(yàn)。然后,用同一載荷譜進(jìn)行疲勞斷裂試驗(yàn),測(cè)出疲勞壽命N2。

③ 對(duì)一組5個(gè)試件,用使用環(huán)境濃度(d=1)和等損傷高溫濕譜,進(jìn)行t3個(gè)譜塊的腐蝕試驗(yàn),在試驗(yàn)中還要用與t3配套的疲勞載荷譜,在0.5t3處,進(jìn)行疲勞試驗(yàn)。然后,用同一載荷譜進(jìn)行疲勞斷裂試驗(yàn),測(cè)出疲勞壽命N3。

④ 對(duì)一組5個(gè)試件,用使用環(huán)境濃度(d=1)和等損傷高溫濕譜,進(jìn)行t4個(gè)譜塊的腐蝕試驗(yàn),在試驗(yàn)中還要用與t4配套的疲勞載荷譜,在0.5t4處,進(jìn)行疲勞試驗(yàn)。然后,用同一載荷譜進(jìn)行疲勞斷裂試驗(yàn),測(cè)出疲勞壽命N4。

注：腐蝕試驗(yàn)時(shí)間t1

7)用測(cè)出的N1、N2、N3、N4和D1、D2、D3、D4繪制N-D曲線,如圖6。

8)用關(guān)鍵機(jī)件的總疲勞壽命Np求腐蝕損傷容限D(zhuǎn)c,如圖8箭頭線示意。

2.3 機(jī)件無(wú)總疲勞壽命Np,近似求腐蝕容限D(zhuǎn)c的方法

1)用本文2.2節(jié)的方法,求d=1情況下的腐蝕+疲勞損傷D1、D2、D3、D4,再用對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)時(shí)間H1、H2、H3、H4,繪制腐蝕+疲勞的H-D曲線[5],如圖9。

2)尋找使用環(huán)境和受力基本一致并退役的同類機(jī)件,利用它的服役日歷年限Y,或用日歷壽命指標(biāo)Y。

3)在圖9的H-D曲線上,由Y求Dc(箭頭線所示)。這個(gè)Dc值雖然不是準(zhǔn)確值,但有參考價(jià)值。

圖9 腐蝕+疲勞的H-D曲線

注意：上述方法,還適合純腐蝕(不受力)機(jī)件腐蝕容限的近似確定,但在測(cè)試H-D曲線中,要?jiǎng)h除疲勞載荷的作用。

3 同一機(jī)件同受靜載荷和疲勞載荷的腐蝕損傷容限求法

本來(lái)這個(gè)問題是很復(fù)雜無(wú)解的難題,但有了本文前述研究結(jié)論,這個(gè)難題便迎刃而解。

1)分別求同一機(jī)件在靜載荷作用下和疲勞載荷作用下的腐蝕損傷容限D(zhuǎn)′c和Dc,具體求法如前述,此處不贅述。

2)比較D′c和Dc,小者為該機(jī)件的腐蝕損傷容限值。

4 用一個(gè)腐蝕損傷容限值保證同一機(jī)件的總疲勞壽命與總?cè)諝v壽命皆安全的原理和方法

4.1 保證同一機(jī)件的總疲勞壽命與總?cè)諝v壽命皆安全的原理

受疲勞載荷作用的機(jī)件又在腐蝕環(huán)境下工作,因此它既有疲勞壽命又有日歷壽命。這2種壽命分別由疲勞領(lǐng)域和腐蝕領(lǐng)域給出,怎樣保證由不同領(lǐng)域給出的不同壽命皆安全呢？這是使用部門長(zhǎng)期期盼解決、設(shè)計(jì)部門追求解決、研究部門探索解決的國(guó)際難題。

本文通過(guò)機(jī)件腐蝕損傷容限研究,把這個(gè)難題解決了。它的原理就是：用機(jī)件的總疲勞壽命確定該機(jī)件的腐蝕損傷容限D(zhuǎn)c,用這個(gè)Dc值和相應(yīng)計(jì)算公式[5,6,13],求出該機(jī)件的總?cè)諝v壽命。這個(gè)總?cè)諝v壽命與總疲勞壽命都是安全的。

4.2 保證同一機(jī)件的總疲勞壽命Np與總?cè)諝v壽命Y皆安全的方法

1)用真實(shí)使用載荷譜,通過(guò)疲勞試驗(yàn)給出機(jī)件的總疲勞壽命Np。

2)求總?cè)諝v壽命Y

① 用真實(shí)使用載荷譜和溫濕譜通過(guò)腐蝕試驗(yàn)和疲勞試驗(yàn),繪制出N-D曲線,如圖6。

② 在N-D曲線上,用Np求出腐蝕損傷容限D(zhuǎn)c,如圖8所示。

③ 用Dc和式(1)[5],計(jì)算出機(jī)件純金屬部件日歷時(shí)間λc

(1)

式中：λc為機(jī)件純金屬部分的腐蝕時(shí)間(年)；λt為用溫濕譜試驗(yàn)的循環(huán)周數(shù),即腐蝕時(shí)間(年)；Dc為金屬腐蝕損傷容限值；dt為試驗(yàn)介質(zhì)溶液濃度。

④ 用λc和式(2)[13],算出機(jī)件的總?cè)諝v壽命

Y=(n+1)λm+λc

(2)

式中：Y為機(jī)件總?cè)諝v壽命(年)；λm為防護(hù)層一次有效時(shí)間(年)[6]；λc為機(jī)件純金屬腐蝕到Dc的腐蝕時(shí)間(年)；n為機(jī)件翻修次數(shù)。

3)Np與Y皆安全分析

從式(2)分析,λm是防護(hù)層一次有效時(shí)間,即在λm有效期內(nèi)金屬不腐蝕。金屬不腐蝕,就不會(huì)影響疲勞壽命Np,因此(n+1)λm項(xiàng)只影響機(jī)件總?cè)諝v壽命Y,不影響機(jī)件的總疲勞壽命Np,因此總?cè)諝v壽命Y中,只有純金屬腐蝕時(shí)間λc與總疲勞壽命Np相關(guān)聯(lián),只要λc安全,Np就安全。

由于總?cè)諝v壽命Y中的λc是由金屬腐蝕損傷容限D(zhuǎn)c和式(1)計(jì)算出來(lái)的,而Dc又是由總疲勞壽命Np和N-D曲線確定的,因此,Dc是λc與Np的中間“協(xié)調(diào)員”。只要機(jī)件在使用中的金屬腐蝕損傷值Dt≤Dc,則λc與Np皆安全,即Y與Np皆安全。

這樣確定日歷壽命,不僅保證Np與Y皆安全,而且保證Np不損失,這體現(xiàn)出,用Np確定Dc的科學(xué)性和優(yōu)越性。

5 同一機(jī)件的總疲勞壽命Np與總?cè)諝v壽命Y匹配設(shè)計(jì)、使用和確定先后程序

5.1 Np與Y匹配設(shè)計(jì)

1)Np分析

在機(jī)件的用材、結(jié)構(gòu)和疲勞載荷不變情況下,機(jī)件的總疲勞壽命Np通過(guò)試驗(yàn)給出后,不經(jīng)過(guò)延壽,是不允許改變的。即機(jī)件的總疲勞壽命Np(小時(shí))是定值。

2)Y分析

由總?cè)諝v壽命計(jì)算式(2)分析,式中λc是機(jī)件純金屬腐蝕到容限值Dc的腐蝕時(shí)間(年),在腐蝕環(huán)境不變情況下,一般λc為定值。式(2)中的(n+1)λm項(xiàng),λm是機(jī)件防護(hù)層一次有效時(shí)間(年),n是機(jī)件翻修次數(shù)。λm和n在機(jī)件翻修中是可變的,總?cè)諝v壽命Y長(zhǎng)或短可通過(guò)提高或降低λm來(lái)實(shí)現(xiàn),也可以增加或減少翻修次數(shù)來(lái)達(dá)到。即機(jī)件的總?cè)諝v壽命Y是可調(diào)整的。

3)Np與Y匹配設(shè)計(jì)和使用

從理論上講,Np是定值,它可通過(guò)平均使用強(qiáng)度(每年使用小時(shí)數(shù))換算出總使用年限Y0,在機(jī)件總?cè)諝v壽命Y的設(shè)計(jì)中,通過(guò)調(diào)整式(2)中的λm或n,使Y=Y0,從而實(shí)現(xiàn)同一機(jī)件的總疲勞壽命Np與總?cè)諝v壽命Y的匹配設(shè)計(jì)。

總疲勞壽命Np的使用年限與機(jī)件使用強(qiáng)度有關(guān),使用強(qiáng)度高,則使用年限低,使用強(qiáng)度低,則使用年限就高,導(dǎo)致機(jī)件的總疲勞壽命Np的使用年限與總?cè)諝v壽命Y出現(xiàn)不匹配,為此,機(jī)件在使用中,要注意調(diào)節(jié)使用強(qiáng)度,使Np的使用年限盡量與Y匹配使用。

5.2 Np與Y確定的先后程序

關(guān)于同一機(jī)件的Np與Y確定的先后順序問題,從本文對(duì)金屬腐蝕損傷容限研究上分析,它們確定的先后順序是：首先確定Np,根據(jù)Np和N-D曲線,確定出腐蝕損傷容限D(zhuǎn)c。再根據(jù)Dc,計(jì)算出金屬腐蝕時(shí)間λc。有了λc、防護(hù)層一次有效時(shí)間λm和翻修次數(shù)n,便可計(jì)算出總?cè)諝v壽命Y。這就是由Np到Y(jié)的先后程序。

6 結(jié) 論

1)通過(guò)靜強(qiáng)度和腐蝕損傷D的綜合研究,給出機(jī)件的工作應(yīng)力σ與腐蝕損傷D的分布曲線。用這條曲線和機(jī)件的容限應(yīng)力σp,可求得受靜載荷機(jī)件的腐蝕損傷容限D(zhuǎn)c。凡近似有σ-D分布曲線的材料都可用本方法求靜載荷機(jī)件的腐蝕損傷容限D(zhuǎn)c。由此Dc值和求Dc時(shí)的試驗(yàn)數(shù)據(jù),用式(1),可計(jì)算出金屬日歷壽命λc,再用式(2),可計(jì)算出機(jī)件的總?cè)諝v壽命和翻修日歷壽命。

2)通過(guò)疲勞壽命N和腐蝕損傷D的綜合研究,給出機(jī)件的疲勞壽命N與腐蝕損傷D的分布曲線,用這條曲線和機(jī)件的總疲勞壽命Np,便可求得受疲勞載荷機(jī)件的腐蝕損傷容限D(zhuǎn)c。凡近似有N-D分布曲線的材料都可用本方法求受疲勞載荷機(jī)件的腐蝕損傷容限D(zhuǎn)c。由該Dc值和求Dc時(shí)的試驗(yàn)數(shù)據(jù),用式(1),可計(jì)算出金屬日歷壽命λc,再用式(2),可計(jì)算出機(jī)件的總?cè)諝v壽命和翻修日歷壽命。而且這個(gè)腐蝕損傷容限D(zhuǎn)c值,可保證同一機(jī)件的總疲勞壽命和總?cè)諝v壽命皆安全。同時(shí),本文還研究給出同一機(jī)件的總疲勞壽命與總?cè)諝v壽命的匹配設(shè)計(jì)、匹配使用和確定的先后程序等問題。

3)通過(guò)受靜載荷機(jī)件和受疲勞載荷機(jī)件求腐蝕損傷容限的方法,解決了同時(shí)受靜載荷和疲勞載荷作用機(jī)件的腐蝕損傷容限。

4)本文針對(duì)無(wú)總疲勞壽命的疲勞腐蝕機(jī)件,研究出近似求其腐蝕容限的方法。用這個(gè)方法,還可近似求純腐蝕機(jī)件的腐蝕容限,但在測(cè)試H-D曲線時(shí),要?jiǎng)h除疲勞載荷的作用。

5)以求出的Dc為指標(biāo),用真實(shí)受力和腐蝕參數(shù),通過(guò)試驗(yàn)或式(1)計(jì)算,可分別給出金屬的日歷壽命。

6)由于本文給出的各類腐蝕損傷容限值都是用機(jī)件真實(shí)使用參數(shù)通過(guò)試驗(yàn)給出的,因此它們是符合實(shí)際使用的真實(shí)值。有了這些真實(shí)腐蝕損傷容限值,再用本文前述的機(jī)件日歷壽命確定的理論和方法,就可通過(guò)計(jì)算和試驗(yàn)確定出各種受力機(jī)件的日歷壽命值,有了這個(gè)日歷壽命指標(biāo),就可控制機(jī)件的使用年限,使機(jī)件使用年限永低于這個(gè)日歷壽命值。有了真實(shí)腐蝕損傷容限,還可隨時(shí)檢查機(jī)件在使用中的腐蝕損傷值,控制它永小于腐蝕損傷容限D(zhuǎn)c值。這樣,機(jī)件在使用中,就不會(huì)因腐蝕發(fā)生事故,從而,就把世界各國(guó)一直未解決的難題解決了。這將對(duì)世界各國(guó)避免或減少因腐蝕造成的災(zāi)難事故和重大經(jīng)濟(jì)損失起重要作用。

7)本文以上研究結(jié)論,適用于大氣環(huán)境、海洋環(huán)境、土壤環(huán)境和其他腐蝕環(huán)境使用的機(jī)件,但要遵循本文研究的規(guī)律曲線。