金屬結(jié)構(gòu)是工業(yè)各個領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛、數(shù)量最多的結(jié)構(gòu)形式，從簡單的零件（如螺栓、彈簧）到復(fù)雜的產(chǎn)品（如鋼結(jié)構(gòu)、裝配體）都存在著其服役極限壽命。綠色制造、精確制造等概念的提出對工業(yè)產(chǎn)品提出了更大的挑戰(zhàn)，如不滿足服役可靠性、輕量化等要求，產(chǎn)品終將被淘汰。本文以金屬結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品設(shè)計而言，存在幾大問題，以金屬結(jié)構(gòu)疲勞失效為例，影響材料疲勞壽命的因素，希望對您有所幫助。更多相關(guān)內(nèi)容歡迎免費預(yù)約5月22日直播課程。

　　以金屬結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品設(shè)計而言，存在幾大問題

　　1）逆向制造現(xiàn)象普遍：絕大多數(shù)的工業(yè)產(chǎn)品缺乏原創(chuàng)，多山寨，少創(chuàng)新；
　　2）設(shè)計與制造脫節(jié)嚴(yán)重：產(chǎn)品形狀尺寸及技術(shù)要求僅能夠滿足設(shè)計指標(biāo)，對產(chǎn)品服役可靠性具有重要影響的制造過程和服役過程考慮不足，甚至無從考慮；
　　3）壽命驗證缺乏科學(xué)方法：對服役壽命是關(guān)鍵指標(biāo)的產(chǎn)品，其驗證方式多為基于試錯的物理試驗法，然后反向改進設(shè)計，方法落后。
　　金屬結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品壽命與產(chǎn)品的材料、制造流程、服役條件等均有關(guān)系。疲勞壽命能夠幫助我們了解金屬及其結(jié)構(gòu)在循環(huán)載荷條件下的使用壽命。根據(jù)受載程度分為應(yīng)力疲勞和應(yīng)變疲勞，工業(yè)產(chǎn)品多考慮應(yīng)力疲勞。

　　以金屬結(jié)構(gòu)疲勞失效為例，影響材料疲勞壽命的因素

　　01 材料因素

　　金屬材料疲勞壽命與應(yīng)力狀態(tài)（平均應(yīng)力和應(yīng)力幅）有關(guān)，疲勞壽命的表示方式一般用S-N或P-S-N曲線，如圖不同材料具有不同的疲勞壽命曲線，數(shù)據(jù)的獲取可按照標(biāo)準(zhǔn)進行疲勞試驗。

　　不同材料具有不同的疲勞壽命，如：
　　鋼：具有疲勞極限，即應(yīng)力較低條件下，材料疲勞壽命無限；
　　鋁合金：無疲勞極限。
　　此外，注意影響材料疲勞壽命的服役或者試驗條件，如溫度等。（后文說明）

　　02 結(jié)構(gòu)及加工因素

　　金屬材料形成結(jié)構(gòu)一般都要改變材料的狀態(tài)。
　　形狀的改變：材料由均勻的形狀加工成不同尺寸形狀的結(jié)構(gòu)，在受載時產(chǎn)生應(yīng)力集中從而影響局部壽命，該方面其本質(zhì)是應(yīng)力狀態(tài)改變壽命。
　　微觀組織狀態(tài)的改變：結(jié)構(gòu)成型過程中無論是冷加工（冷軋）還是熱加工（熱鍛、焊接），都會產(chǎn)生組織變化，繼而影響材料本身的疲勞壽命，該方面本質(zhì)是材料性能改變壽命。
　　組織變化類型：塑性流變、軋制、熱相變、回復(fù)再結(jié)晶等。
　　此外，成型制造過程中組織梯度（如焊接接頭）使結(jié)構(gòu)在受載過程中的應(yīng)力響應(yīng)復(fù)雜化、疲勞壽命非勻質(zhì)化，疲勞壽命的預(yù)測增加不確定性和概率性。
　　結(jié)構(gòu)壽命最簡單的測試方法是非標(biāo)試驗，即對整個結(jié)構(gòu)進行疲勞試驗，獲得結(jié)構(gòu)疲勞失效位置及疲勞壽命。

　　03 應(yīng)力因素

　　應(yīng)力是疲勞壽命最主要的影響因素。應(yīng)力分類：
　　一次應(yīng)力，即結(jié)構(gòu)受服役外載時的直接應(yīng)力響應(yīng)，僅于服役載荷有關(guān)，隨外載瞬時響應(yīng)；
　　二次應(yīng)力，如溫度的熱脹冷縮產(chǎn)生的應(yīng)力，以及殘余應(yīng)力（塑性成型、焊接等）。最終在綜合應(yīng)力的條件下影響疲勞壽命。

　　應(yīng)力測試法

　　應(yīng)力具體數(shù)值獲得方式：
　　試驗測試：應(yīng)變片法、數(shù)字散斑相關(guān)性法（DIC）等可在線測量。
　　數(shù)值模擬：可通過有限元（FEM）計算獲得。
　　殘余應(yīng)力測試方法：如小孔法、X射線法等?？砂凑障嚓P(guān)的標(biāo)準(zhǔn)測量。

　　04 服役環(huán)境（多場耦合）

　　服役環(huán)境對金屬材料及結(jié)構(gòu)疲勞壽命具有重要影響。通常以多場耦合的方式引起疲勞壽命的變化。
　　溫度：除產(chǎn)生二次應(yīng)力外，引起材料非線性（不同溫度條件下性能改變）；
　　腐蝕環(huán)境：材料或者結(jié)構(gòu)的腐蝕和應(yīng)力腐蝕會加速疲勞裂紋的萌生和擴展，嚴(yán)重降低結(jié)構(gòu)疲勞壽命。
　　因此，面向復(fù)雜、苛刻服役環(huán)境時，必須考慮到環(huán)境多物理場（力、光、電、熱、磁等）的影響。

　　金屬結(jié)構(gòu)在多種服役條件下的壽命評估線上課程

　　從產(chǎn)品設(shè)計階段便考慮其服役壽命，可實現(xiàn)降低（材料、制造、試驗）成本，提高產(chǎn)品可靠性，提高附加值，實現(xiàn)更大利潤。那么疲勞壽命的預(yù)測/評估方法有哪些？疲勞壽命的提升方法有哪些？金屬結(jié)構(gòu)在多種服役條件下的壽命評估線上直播課程于5月22日開講，歡迎掃碼報名~