第5章　裂紋擴展壽命估算方法

機械設(shè)計中，有時會涉及裂紋擴展壽命的設(shè)計計算。一種情況是零件在加工制造過程中就已經(jīng)存在裂紋或類裂紋缺陷，尤其是大型鑄、鍛件及焊接結(jié)構(gòu)件，其疲勞壽命是由裂紋擴展壽命決定的；另一種情況是斷裂形成壽命和裂紋擴展壽命都不能忽略，因此首先用局部應(yīng)力應(yīng)變法算出裂紋形成壽命，再用斷裂力學方法計算其后的裂紋擴展壽命。斷裂力學是進行裂紋分析、計算的基礎(chǔ)，它對解決裂紋擴展問題，為合理估算裂紋擴展壽命提供了一條有效的途徑。

5.1　應(yīng)力強度因子與斷裂韌性

5.1.1　應(yīng)力強度因子

實際零構(gòu)件中的裂紋是各種各樣的。按受力情況，可將裂紋形式歸納成三類：Ⅰ型裂紋，又稱張開型裂紋；Ⅱ型裂紋，又稱滑開型或平面內(nèi)剪切型裂紋；Ⅲ型裂紋，又稱撕開型裂紋。如圖28-5-1所示。

當一物體內(nèi)部存在裂紋時，裂紋尖端的應(yīng)力理論上為無窮大。因此，無法再用理論應(yīng)力集中系數(shù)來表達應(yīng)力集中程度，而需要用斷裂力學中的應(yīng)力強度因子K來表達裂紋效應(yīng)。K的大小能正確反映裂紋尖端附近區(qū)域內(nèi)彈性應(yīng)力場的強弱程度，可以用來作為判斷裂紋是否擴展和是否發(fā)生失穩(wěn)擴展的指標。

Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型裂紋的應(yīng)力強度因子分別以K_I、K_Ⅱ和K_Ⅲ表示。其中用得最多的是K_Ⅰ。應(yīng)力強度因子的一般表達式為

　?。?8-5-1）

式中　σ——外加的名義應(yīng)力，MPa；

α ——決定于裂紋體形狀、裂紋形狀、位置和加載方式的系數(shù)，它可以是常數(shù)，也可以是a的函數(shù)；

a——裂紋尺寸，mm，對內(nèi)部裂紋和貫穿裂紋為裂紋長度的一半，對表面裂紋為裂紋深度。

一些常見的裂紋形狀的應(yīng)力強度因子表達式可參閱有關(guān)應(yīng)力強度因子手冊。也可用有限元法或光彈性等試驗方法測定。

5.1.2　斷裂韌度

應(yīng)力強度因子的臨界值，即材料發(fā)生脆斷時的應(yīng)力強度因子，稱為斷裂韌度，用K_C表示。Ⅰ型裂紋在平面應(yīng)變條件下的應(yīng)力強度因子臨界值稱為平面應(yīng)變斷裂韌度，用K_ⅠC表示。由于平面應(yīng)變條件下應(yīng)力狀態(tài)是三向受拉，材料容易脆斷，因此K_ⅠC是代表材料斷裂韌度的最低值，是反映材料韌度的一個最重要的指標。所以，在平面應(yīng)變條件下的斷裂判據(jù)為：

　?。?8-5-2）

因為K_ⅠC是斷裂韌度的最低值，用它建立的脆性斷裂判據(jù)是偏于安全的。

實際工程中裂紋形式多種多樣，受力條件可能很復雜，要求給出復合型判據(jù)。下面給出幾種工程中適用于偏于安全的判據(jù)。

Ⅰ-Ⅱ型復合情況：

　?。?8-5-3）

在K_Ⅰ>K_Ⅱ時偏于安全。

Ⅰ-Ⅲ型復合情況：

　?。?8-5-4）

Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ型復合情況：

　　（28-5-5）

式中，μ為泊松比。

平面應(yīng)變斷裂韌度可用試驗方法測定。表28-5-1給出機械常用材料的K_ⅠC值。表28-5-2為耐熱鋼高溫下的K_ⅠC值。表28-5-3～表28-5-5為幾種合金鋼低溫下的K_ⅠC值。

5.2　裂紋擴展特性與裂紋擴展速率

5.2.1　裂紋擴展過程

在實際工程問題中，由試驗測定材料的斷裂韌度K_IC，通過無損探傷測定零件中的最大裂紋尺寸a₀，根據(jù)求得裂紋擴展時的臨界尺寸a_c。當a<a_c時，按照脆斷判據(jù)，零件是安全的，表示在靜載下不會發(fā)生脆斷。但是在循環(huán)載荷作用下，裂紋可能由a₀逐漸擴展到臨界尺寸a_c，突然發(fā)生脆斷。這種裂紋擴展階段壽命的估算，成為疲勞壽命估算的一個重要組成部分。

由材料的等幅載荷試驗表明，疲勞裂紋擴展速率da/dN是應(yīng)力強度因子幅度ΔK的函數(shù)。其關(guān)系曲線在雙對數(shù)坐標上是一條S形曲線。對于Ⅰ型裂紋，如圖28-5-2所示，（da/dN）-ΔK曲線可劃分成三個區(qū)域：Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)和Ⅲ區(qū)。

Ⅰ區(qū)為裂紋不擴展區(qū)，這時ΔK<ΔK_th，ΔK_th稱為界限應(yīng)力強度因子，又稱門檻值。Ⅲ區(qū)為裂紋快速擴展區(qū)，也稱失穩(wěn)擴展區(qū)，在此區(qū)內(nèi)，K_max 快速接近平面應(yīng)變材料的斷裂韌度ΔK _IC，由于其擴展速率很高，因此該區(qū)的裂紋擴展壽命很短，故在計算疲勞裂紋擴展壽命時將其忽略。Ⅱ區(qū)為裂紋擴展區(qū)，該區(qū)是決定裂紋擴展壽命的主要區(qū)域。在此區(qū)域內(nèi)，（da/dN）-ΔK曲線在雙對數(shù)坐標上呈線性關(guān)系。其裂紋擴展速率可用Paris公式表示：

　　（28-5-6）

式中　m——材料常數(shù)，直線的斜率，多數(shù)材料m取值為2～4；

C——材料常數(shù)，直線的截距。

影響裂紋擴展的因素很多，除了ΔK是影響裂紋亞臨界擴展的關(guān)鍵物理量外，應(yīng)力比、載荷順序、環(huán)境和加載頻率等對裂紋擴展均有較大的影響。圖28-5-3是不同應(yīng)力比r情況下（da/dN）-ΔK曲線。

5.2.2　裂紋擴展門檻值ΔK_th

疲勞裂紋擴展門檻值ΔK_th一般用降載法測定。在應(yīng)力比r不變的條件下分級降載，使在每級載荷下，持續(xù)試驗的裂紋擴展增量Δa大于上一級載荷對應(yīng)的裂紋尖端塑性區(qū)尺寸的2～3倍，直至平均裂紋擴展速率Δa/ΔN 接近10^-7 mm/周時，試驗結(jié)束。表28-5-6～表28-5-8為一些材料的疲勞裂紋擴展門檻值ΔK_th。

5.2.3　裂紋擴展速率da/dN

裂紋擴展速率用Paris公式表示，即式（28-5-6）。

表28-5-9～表28-5-11是一些材料的裂紋擴展速率的C及m值。圖28-5-4～圖28-5-28為金屬室溫下的（da/dN）-ΔK曲線。圖28-5-29～圖28-5-34為金屬低溫下的（da/dN ）-ΔK曲線。

5.3　疲勞裂紋擴展壽命估算方法

對于線彈性裂紋體或準線彈性裂紋體，一般情況下用Paris裂紋擴展速率公式（28-5-6）估算裂紋擴展壽命

當m≠2時

　?。?8-5-7）

當m=2時

　?。?8-5-8）

C₁=Ca^mπ^m/2

式中　C、m ——Paris公式中的常數(shù)，查表28-5-9～表28-5-11；

α——與裂紋的形狀和位置、加載方式及試樣的幾何因素有關(guān)的系數(shù)，即應(yīng)力強度因子可寫成中的α，可查斷裂力學專著；

a₀ ——初始裂紋尺寸；

a_c ——臨界裂紋尺寸；

N_p ——從初始裂紋尺寸擴展a₀到臨界裂紋尺寸a_c的應(yīng)力循環(huán)數(shù)。

應(yīng)用上式估算零件的疲勞裂紋擴展壽命時，需要知道的基本數(shù)據(jù)有：在工作條件下，疲勞裂紋擴展速率公式中的材料數(shù)據(jù)；材料的斷裂韌度K_ⅠC或臨界裂紋尺寸；初始裂紋尺寸、形狀、位置及取向。

疲勞裂紋擴展速率公式中的材料數(shù)據(jù)和材料的斷裂韌度是由實驗測出的。臨界裂紋尺寸可由斷裂韌度求得

　?。?8-5-9）

初始裂紋的尺寸、形狀、位置和取向，是指開始計算時，零件中的最大原始缺陷的尺寸、形狀、位置和方向，這些可通過無損探傷技術(shù)檢查出來。但無損探傷一般用于確定原始缺陷尺寸的上限。若無損探傷沒有發(fā)現(xiàn)任何缺陷，則可認為該零件中可能存在的最大缺陷尺寸，剛好在所用的無損探傷設(shè)備的靈敏度水平以下。于是，可以假定這種可能存在的缺陷尺寸為初始裂紋尺寸。此外，還應(yīng)假設(shè)這種初始裂紋，可能存在于關(guān)鍵零件的關(guān)鍵部位，并假設(shè)該裂紋面垂直于最大主拉伸應(yīng)力的方向。所謂關(guān)鍵部位，一般指在最大應(yīng)力區(qū)內(nèi)。對于表面裂紋和內(nèi)部裂紋，裂紋形狀應(yīng)這樣假定，要使其對應(yīng)的應(yīng)力強度因子值，在整個裂紋擴展階段中為最大，以上處理方法是偏于安全的。

5.4　算例

圖28-5-35為汽輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子中的裂紋示意圖。轉(zhuǎn)子材料為調(diào)質(zhì)34CrNi3Mo，材料力學性能為：R_m=686MPa，R_eL =549MPa；。最危險的裂紋位置及尺寸為：H=350mm，2a₀=70mm（設(shè)為圓片狀裂紋），軸的轉(zhuǎn)速為3600r/min，求轉(zhuǎn)子到斷裂時的壽命。

解：1） 假設(shè)。轉(zhuǎn)子的橫截面形狀如圖28-5-35（b）所示，計算應(yīng)力時作如下假設(shè)：①轉(zhuǎn)子的嵌線槽根部以外區(qū)域，作片狀結(jié)構(gòu)處理，以考慮離心力對中心部分的影響；片狀結(jié)構(gòu)部分的密度，按銅線密度ρ₁計算；②從中心孔到線槽根部，作為一個軸處理，此軸受上述均勻外載荷和自身的離心力。

2） 均布外載荷p的計算。由于片狀區(qū)的平均密度為ρ₁，轉(zhuǎn)子的角速度為ω，所以

于是得

3） 周向應(yīng)力的計算。設(shè)轉(zhuǎn)子體的密度為ρ，泊松比為ν。

在半徑為R₂的圓周上，由于p的作用而引起的周向（或稱切向）應(yīng)力σ'_t，按厚壁圓筒公式計算，即

由于轉(zhuǎn)子本體（片狀區(qū)內(nèi)）的離心力引起的應(yīng)力為

則轉(zhuǎn)子的總周向應(yīng)力為

式中，，取ν=0.3，則V=0.429。

在本例中的數(shù)據(jù)如下：

對于鋼ρ=77×10^-3/980N·s²/cm⁴

對于銅ρ₁=88.3×10^-3/980N·s²/cm⁴

R₁=5cm， R₂=28.3cm， R₃=42.6cm

并令缺陷半徑r =42.6-35=7.6cm

將上述數(shù)值代入式中，則缺陷處的周向應(yīng)力為

或

σ_t=177MPa。

4） 計算臨界裂紋尺寸。由斷裂力學可知，圓片形裂紋的應(yīng)力強度因子為

當K_Ⅰ=K_ⅠC時，a=a_c，則臨界裂紋尺寸為

或　a_c≈151mm。

5）壽命估算。轉(zhuǎn)子的壽命為裂紋從a₀=35mm擴展到a_c=151mm的壽命。

材料34CrNi3Mo的裂紋擴展速率公式（28-5-6）中的參數(shù)為

則轉(zhuǎn)子的壽命為

這是轉(zhuǎn)子到達破壞的啟動-停車次數(shù)。

5.5　損傷容限設(shè)計

5.5.1　損傷容限設(shè)計概念

損傷容限設(shè)計在飛機設(shè)計上已獲得成功，其設(shè)計思想也將逐漸推廣到民用品的設(shè)計上。

20世紀50年代以前的飛機都是按靜強度設(shè)計的。隨著飛機飛行速度的增大、戰(zhàn)術(shù)技術(shù)性能的提高，要求采用阻力系數(shù)較小的薄翼型，使得氣動彈性問題變得突出起來。因此要求結(jié)構(gòu)不僅要有足夠的靜強度，而且還應(yīng)有足夠的剛度，以滿足設(shè)計中對顫振速度的要求。

隨著現(xiàn)代科學技術(shù)的發(fā)展，為了提高性能，飛機重量矛盾突出，為減重采用了高強度的材料，往往忽略材料韌性的降低，加之使用應(yīng)力水平的提高，增加了結(jié)構(gòu)疲勞破壞的可能性。在第二次世界大戰(zhàn)后的數(shù)年內(nèi)，世界各國的飛機（包括軍用機和民用機）相繼出現(xiàn)了多起由于結(jié)構(gòu)疲勞破壞而造成的災(zāi)難性事故。因此認識到必須在飛機結(jié)構(gòu)設(shè)計中引入抗疲勞設(shè)計概念。

最早在飛機設(shè)計中采用的是安全壽命設(shè)計思想。安全壽命設(shè)計思想建立在結(jié)構(gòu)無初始缺陷的基礎(chǔ)上，即認為在生產(chǎn)制造、裝配過程中通過嚴格的質(zhì)量控制已確保零部件沒有損傷，同時要求結(jié)構(gòu)在使用壽命期內(nèi)不出現(xiàn)宏觀可檢測裂紋，一旦結(jié)構(gòu)出現(xiàn)宏觀可檢測裂紋，就認為結(jié)構(gòu)已經(jīng)破壞。安全壽命設(shè)計思想從20世紀50年代起延續(xù)至今，在大量的實踐中積累了豐富的經(jīng)驗。

設(shè)計實踐表明，完全采用安全壽命思想設(shè)計的飛機，仍存在很多不安全因素，例如，這一時期飛機結(jié)構(gòu)設(shè)計大量采用高強度和超高強度合金材料，一般來說，高強度合金材料的韌性降低，缺口敏感性強，由于材料和結(jié)構(gòu)零部件的加工裝配不可避免地會漏檢所帶有的缺陷和損傷，致使結(jié)構(gòu)發(fā)生較早的疲勞斷裂。實際上無論采取什么樣的質(zhì)量控制手段，材料內(nèi)部初始缺陷、加工制造、裝配過程造成的損傷以及使用中引入的損傷等都是不可避免的。損傷容限設(shè)計思想就是在這種情況下產(chǎn)生的。

對這些突然斷裂事故的研究和分析，推動了斷裂力學的應(yīng)用和發(fā)展，特別是線彈性斷裂力學的發(fā)展，為損傷容限設(shè)計思想奠定了理論基礎(chǔ)。損傷容限設(shè)計思想的基本點是：承認結(jié)構(gòu)中存在著未被發(fā)現(xiàn)的初始缺陷、裂紋或其他損傷，使用過程中，在循環(huán)載荷作用下將不斷擴展。通過分析和試驗驗證，對可檢結(jié)構(gòu)給出檢修周期，對不可檢結(jié)構(gòu)提出嚴格的剩余強度要求和裂紋增長限制，以保證在給定使用壽命期內(nèi)，不致因未被發(fā)現(xiàn)的初始缺陷的擴展失控造成飛機的災(zāi)難性事故。

因此，損傷容限設(shè)計是以斷裂力學為理論基礎(chǔ)，以斷裂韌度試驗和無損檢測技術(shù)為手段，承認結(jié)構(gòu)在使用前就帶有初始缺陷，但必須把這些缺陷或損傷在規(guī)定的未修使用期內(nèi)的增長控制在一定的范圍內(nèi)，在此期間，結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足規(guī)定的剩余強度要求，以保證飛機結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性的一種設(shè)計。

損傷容限的概念可用圖28-5-36來描述，圖28-5-36（a）為裂紋長度a與循環(huán)次數(shù)N的裂紋擴展a-N曲線，將裂紋長度限制在臨界值以下；圖28-5-36（b）為強度S與循環(huán)次數(shù)N的剩余強度下限曲線，將剩余強度限制在破損安全線以上，裂紋從可檢測門檻值開始到臨界值為止是裂紋的檢查周期，因此，損傷容限設(shè)計中有三個重要的因素：

1）臨界裂紋尺寸或剩余強度。它表明在剩余強度要求的載荷作用下，該結(jié)構(gòu)允許存在的最大損傷；或在某一規(guī)定的損傷情況下，結(jié)構(gòu)剩余強度能力應(yīng)大于對該結(jié)構(gòu)的剩余強度要求值。

2）裂紋擴展。在該結(jié)構(gòu)部位的載荷譜和環(huán)境譜作用下，裂紋長度從可檢測尺寸（初始裂紋尺寸）至臨界裂紋尺寸值之間的裂紋擴展期。

3）損傷檢查。各種檢查方法及檢查間隔的選擇。

三個要素既可以單獨作用，也可以組合作用，使結(jié)構(gòu)的安全性達到一個規(guī)定的水平。

5.5.2　損傷容限設(shè)計的內(nèi)容

5.5.2.1　確定關(guān)鍵件

關(guān)鍵件的確定，可根據(jù)下述的一般原則進行綜合分析與判斷，其原則如下：

①應(yīng)力水平的高低與受力情況；

②應(yīng)力集中嚴重程度；

③影響運行安全的程度；

④材料的疲勞、斷裂性能及抗腐蝕開裂能力；

⑤在應(yīng)力譜作用下疲勞裂紋擴展速度的高低；

⑥修理和更換費用；

⑦借鑒以往同類產(chǎn)品疲勞試驗的結(jié)果以及維修情況記錄；

⑧損傷結(jié)構(gòu)的剩余強度水平；

⑨損傷對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)功能的影響程度。

根據(jù)上述原則通過工程經(jīng)驗進行判斷，并配合適當?shù)挠嬎惴治龃_定結(jié)構(gòu)關(guān)鍵件，編制關(guān)鍵件清單。關(guān)鍵件隨著型號研制工作的進展進行篩選，要不斷地更新，并嚴格控制關(guān)鍵件的數(shù)量。

根據(jù)上述關(guān)鍵件清單，針對某一種關(guān)鍵件的具體結(jié)構(gòu)形式、載荷環(huán)境、材料及加工工藝等情況，進行必要的分析、計算和試驗，確定出關(guān)鍵部位（數(shù)量1～5個），對其進行損傷容限控制。

損傷容限設(shè)計涉及的專業(yè)面很廣：有載荷分析、結(jié)構(gòu)設(shè)計、應(yīng)力分析、疲勞斷裂力學、材料、加工成形工藝、表面保護、制造裝配、質(zhì)量保證、試驗驗證等領(lǐng)域。因而要求在產(chǎn)品的研制過程中制定一套嚴格的，包括各專業(yè)領(lǐng)域、各個環(huán)節(jié)的損傷容限控制計劃。該控制計劃的目的是要保證最終的產(chǎn)品滿足有關(guān)規(guī)定的損傷容限要求。

5.5.2.2　材料選擇

（1）選材控制一般原則

選材是要根據(jù)強度、剛度、疲勞斷裂性能、重量、可加工性、成本、抗腐蝕等多種因素，經(jīng)綜合考慮研究后方可確定。

在總體研制方案論證階段，材料數(shù)據(jù)以收集為主，收集可供選擇的材料的基本數(shù)據(jù)，包括靜強度特性數(shù)據(jù)、疲勞斷裂性能數(shù)據(jù)，但這些數(shù)據(jù)應(yīng)取自正規(guī)的材料手冊和符合試驗標準的正規(guī)試驗數(shù)據(jù)，并根據(jù)設(shè)計要求與材料性能進行綜合評比材料的可用性和級別，通常可分為5個等級：

A級——能為使用者接受；

B級——必須加以控制才能使用；

C級——經(jīng)驗證評定后才可使用；

U級——在有些使用條件下無法評定；

X級——不可接受。

根據(jù)所選的材料品種、規(guī)格（材料的熱處理狀態(tài)、板材及厚度、棒材、自由鍛、模鍛等）以及材料的鍛造方向分別提供統(tǒng)一的材料性能數(shù)據(jù)。除常規(guī)的力學性能數(shù)據(jù)外，對損傷容限設(shè)計除應(yīng)提供斷裂性能數(shù)據(jù)外，還應(yīng)給出所采用的裂紋擴展模型所需參數(shù)。

材料數(shù)據(jù)應(yīng)編制正規(guī)的材料數(shù)據(jù)文件，履行簽字手續(xù)，經(jīng)批準，作為型號研制的正式文件，對此文件的修改與補充要重新履行簽字和批準手續(xù)。此文件是材料數(shù)據(jù)的唯一來源。

（2）關(guān)鍵件的選材控制

在技術(shù)設(shè)計階段的選材應(yīng)根據(jù)關(guān)鍵件的工作應(yīng)力水平、工作環(huán)境、加工方法、壽命要求等進行綜合評比篩選。對損傷容限應(yīng)控制較大裂紋的擴展特性（l_mm≤a≤a_c），當然在選材時還應(yīng)考慮重量和成本，進行全面綜合研究。

在設(shè)計定型階段，對材料性能數(shù)據(jù)的控制，要比前一階段更深入、更具體。

1）根據(jù)結(jié)構(gòu)用料情況及其特點進一步修訂和補充材料的疲勞斷裂數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)的來源要可靠，并對選定生產(chǎn)用料的材料進行抽檢，以保證設(shè)計所用數(shù)據(jù)的可靠性。所有的材料數(shù)據(jù)必須經(jīng)審批手續(xù)下發(fā)和存入（或修改）原數(shù)據(jù)庫，作為詳細設(shè)計階段唯一的材料數(shù)據(jù)來源。對材料數(shù)據(jù)的使用，應(yīng)編制相應(yīng)的使用說明文件。

2）材料質(zhì)量的控制。為保證生產(chǎn)用料的性能數(shù)據(jù)與設(shè)計時所取數(shù)值相符，必須對生產(chǎn)用料進行控制，編制生產(chǎn)用料技術(shù)要求，如材料基本性能要求、材料來源要求、質(zhì)量保證要求、抽樣要求、檢驗標準和試驗方法規(guī)定、拒收條件、包裝及防腐和存放要求。

3）編制材料加工、成形的限制條件。為保證材料的疲勞斷裂性能在工藝過程中不致使材料性能低于設(shè)計所規(guī)定的允許值，因此對加工溫度、變形量、切削量、熱處理以及消除有害殘余應(yīng)力措施等進行控制。

5.5.2.3　結(jié)構(gòu)細節(jié)設(shè)計的控制

在初步設(shè)計階段，關(guān)鍵件的細節(jié)設(shè)計應(yīng)該吸收以往的設(shè)計經(jīng)驗，提高結(jié)構(gòu)細節(jié)的抗疲勞品質(zhì)，使結(jié)構(gòu)連續(xù)光滑過渡，盡可能降低應(yīng)力集中。采用工藝強化技術(shù)（如噴丸、孔冷擠壓、干涉配合連接）時應(yīng)經(jīng)過試驗驗證，其對壽命的增益效果應(yīng)按強度設(shè)計準則的規(guī)定，對損傷容限關(guān)鍵件還應(yīng)滿足結(jié)構(gòu)類型的設(shè)計要求，對可檢結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足一定的可檢要求，對有止裂功能的結(jié)構(gòu)細節(jié)應(yīng)設(shè)計止裂件，并驗證其確有止裂功能，對非常特殊的結(jié)構(gòu)，應(yīng)開展研制性試驗，驗證該細節(jié)設(shè)計的有效性。

在定型設(shè)計階段，應(yīng)在生產(chǎn)圖和相應(yīng)的技術(shù)文件上作出更詳細的具體規(guī)定。

1）結(jié)構(gòu)圖樣上要標明損傷容限關(guān)鍵件的所在區(qū)域及零件。對每一關(guān)鍵件還應(yīng)畫出關(guān)鍵部位，在圖樣上還應(yīng)規(guī)定檢印位置，以及關(guān)鍵零件的標識涂色要求。

2）對有材料方向性要求的還應(yīng)規(guī)定零件的材料方向。在圖樣上標注材料的方向。

3）結(jié)構(gòu)關(guān)鍵件圖樣。應(yīng)注明特殊工藝要求和檢驗要求。

4）對特殊需要的關(guān)鍵件還應(yīng)規(guī)定跟蹤要求。如零件的跟蹤記錄卡、隨爐試件要求等。

5）性能抽樣要求。利用跟隨試件（試片）進行抽樣測試性能或在生產(chǎn)線上抽取零件加工試樣測試性能的方法，檢查加工過程對材料疲勞斷裂性能的影響。

6）腐蝕控制。對關(guān)鍵件應(yīng)規(guī)定防腐蝕要求，其中包括化學腐蝕、電化學腐蝕以及應(yīng)力腐蝕。

5.5.3　結(jié)構(gòu)設(shè)計

損傷容限要求是按照不同結(jié)構(gòu)類型分別規(guī)定的，結(jié)構(gòu)類型取決于設(shè)計概念和可檢查度，按照損傷容限要求設(shè)計的結(jié)構(gòu)可歸納為兩種結(jié)構(gòu)類型，即緩慢裂紋擴展結(jié)構(gòu)和破損安全結(jié)構(gòu)。無止裂特性的單傳力途徑結(jié)構(gòu)應(yīng)規(guī)定為緩慢裂紋擴展結(jié)構(gòu)；多途徑傳力和有止裂特性的結(jié)構(gòu)或者規(guī)定為緩慢裂紋擴展結(jié)構(gòu)，或者在指定的可檢查度下規(guī)定為破損安全結(jié)構(gòu)。

緩慢裂紋擴展概念是指結(jié)構(gòu)中的缺陷或裂紋以穩(wěn)定、緩慢的速度擴展，在預定的使用期內(nèi)不允許發(fā)生不穩(wěn)定快速擴展。破損安全概念是指采用多途徑傳力或止裂措施后，使不穩(wěn)定裂紋擴展限制在局部范圍內(nèi)。兩種設(shè)計概念都假設(shè)構(gòu)件上存在未被檢查出的裂紋或損傷，并在整個規(guī)定的維修使用期內(nèi)，構(gòu)件應(yīng)具有規(guī)定的剩余強度能力。

（1）緩慢裂紋擴展結(jié)構(gòu)

在使用中，結(jié)構(gòu)缺陷或裂紋不允許達到不穩(wěn)定擴展規(guī)定的臨界尺寸，并在可檢查度規(guī)定使用期內(nèi)，由裂紋緩慢擴展保證安全。同時，在維修使用期內(nèi)，帶有臨界裂紋的結(jié)構(gòu)強度和安全性不應(yīng)下降到規(guī)定水平以下。亞臨界裂紋是指未達到失穩(wěn)擴展的裂紋長度。

（2）破損安全多途徑傳力結(jié)構(gòu)

采用一個或多個元件組成的分段設(shè)計和制造的結(jié)構(gòu)來抑制局部損傷，以防止結(jié)構(gòu)完全破壞，這類結(jié)構(gòu)在主傳力途徑損壞后，其剩余結(jié)構(gòu)在后續(xù)檢查以前，由剩余結(jié)構(gòu)的裂紋緩慢擴展來保證安全，在維修使用期內(nèi)不允許結(jié)構(gòu)強度和安全性下降到規(guī)定水平以下。

1）多途徑傳力獨立結(jié)構(gòu)。這類結(jié)構(gòu)，在多于一條傳力途徑的某個結(jié)構(gòu)位置上不會存在由裝配或制造過程引起的共同開裂源。

2）多途徑傳力非獨立結(jié)構(gòu)。這類結(jié)構(gòu)，在幾個相鄰傳力途徑的某個結(jié)構(gòu)位置上可能存在由裝配或制造過程產(chǎn)生的共同開裂源。

（3）破損安全止裂結(jié)構(gòu)

在結(jié)構(gòu)設(shè)計時，由于采取了各種止裂措施，如肋條、止裂帶等，因而這類結(jié)構(gòu)不完全破壞之前，有可能使不穩(wěn)定快速擴展裂紋停止在結(jié)構(gòu)的某個連續(xù)區(qū)域內(nèi)，并由剩余結(jié)構(gòu)的裂紋緩慢擴展和后續(xù)各次損傷檢查來保證安全，同時，在維修使用期內(nèi)剩余結(jié)構(gòu)強度不允許下降到規(guī)定值以下。

首先要確定結(jié)構(gòu)的類型。顯然，無止裂特性單途徑傳力結(jié)構(gòu)應(yīng)視為緩慢裂紋擴展結(jié)構(gòu)，識別破損安全結(jié)構(gòu)卻是一個需要判斷和分析的復雜過程。可能有種種理由把多途徑傳力和有止裂特性的結(jié)構(gòu)視為緩慢裂紋擴展結(jié)構(gòu)。通常的理由是：①結(jié)構(gòu)使用中不可檢；②難以滿足破損安全結(jié)構(gòu)的部分要求（如剩余結(jié)構(gòu)的損傷擴展和剩余強度）；③減少計算分析的復雜性等。由于以上原因，在初步設(shè)計階段，往往將其視為緩慢裂紋擴展不可檢結(jié)構(gòu)。

5.5.4　缺陷假設(shè)

初始裂紋假設(shè)中，有兩種不同類型的裂紋尺寸，一種是用各種無損檢測（包括目視檢查）能力確定的最小可檢裂紋尺寸，另一種是用顯微斷口反推技術(shù)等方法確定的當量裂紋尺寸（0.125mm孔邊角裂紋）。前者主要用作計算維修使用期和進行裂紋擴展壽命的起點，以實現(xiàn)損傷容限的一個主要方面——檢查保障安全；后者可作為對緊固件分析的基礎(chǔ)，并構(gòu)成連續(xù)損傷、剩余結(jié)構(gòu)損傷假設(shè)的組成部分，其意圖代表材料、加工工藝實際可能產(chǎn)生的最差質(zhì)量。

5.5.4.1　初始裂紋尺寸

用無損檢測決定的裂紋尺寸與結(jié)構(gòu)類型和可檢查度有關(guān)。無論對材料還是對結(jié)構(gòu)件，只有對裂紋檢出概率和相應(yīng)的置信水平有明確定義，最大不可檢裂紋尺寸才有確定的意義。對緩慢裂紋擴展和破損安全（主結(jié)構(gòu)）類型，檢出概率和置信水平按照航空部標準分別為90%和95%（見圖28-5-37）。檢出概率對兩類結(jié)構(gòu)均規(guī)定為90%，表示在本規(guī)定中無損檢測能力不因結(jié)構(gòu)類型而異。顯然，元件厚度小于或等于規(guī)定的角裂紋表面深度時，就假定它為穿透厚度裂紋。

常用裂紋形狀隨材料厚度和結(jié)構(gòu)類型不同分別為穿透裂紋、孔單邊穿透裂紋、孔單邊1/4圓角裂紋和半圓形表面裂紋。對緩慢裂紋擴展結(jié)構(gòu)和破損安全結(jié)構(gòu)（主結(jié)構(gòu)），其初始裂紋假設(shè)是相同的。在圖28-5-38 中，概括了兩種結(jié)構(gòu)類型的多種裂紋形式的幾何關(guān)系。

5.5.4.2　連續(xù)損傷假設(shè)

假設(shè)的初始裂紋在循環(huán)載荷作用下的擴展特性會受到特定結(jié)構(gòu)形式和元件布置的影響。由于結(jié)構(gòu)不連續(xù)或元件破壞導致主裂紋終止時，應(yīng)考慮如下連續(xù)損傷擴展假設(shè)：

1）當緊固件孔主裂紋擴展至構(gòu)件或元件破壞前終止時，連續(xù)損傷應(yīng)當是在原假設(shè)存在初始裂紋的緊固件中，與主裂紋（沿直徑）相對的孔邊半徑為0.125mm的角裂紋。

2）當主裂紋由于構(gòu)件或元件破壞而終止時，連續(xù)損傷應(yīng)當是在剩余元件或結(jié)構(gòu)的最嚴重部位上半徑為0.125mm的角裂紋或長0.5mm、深0.25mm的表面裂紋，再加上直到元件破壞時為止發(fā)生的裂紋擴展量Δa。由于Δa的定義為傳力途徑破壞時距鄰近結(jié)構(gòu)的損傷從制造時算起擴展了Δa，例如，滿足1倍設(shè)計的結(jié)構(gòu)，用巡回目視檢查來發(fā)現(xiàn)主傳力途徑的破壞，其檢查間隔為10次飛行。規(guī)范要求最小維修使用期為5倍的檢查間隔，即剩余結(jié)構(gòu)在50次飛行時間內(nèi)應(yīng)保持要求的剩余強度，所以，Δa的最大值及應(yīng)滿足的條件為一倍設(shè)計壽命減去50次飛行時間的裂紋擴展量。

3）當緊固件孔中裂紋擴展進入并終止在另一緊固件孔時，連續(xù)損傷應(yīng)當是從主裂紋起始或終止兩者中更為關(guān)鍵的緊固件孔中，與主裂紋（沿直徑）相對的孔邊半徑為0.125mm的角裂紋，再加上直到主裂紋終止時發(fā)生的裂紋擴展量Δa。Δa的計算同前。

上述三種情況的連續(xù)損傷假設(shè)見圖28-5-39。

5.5.4.3　剩余結(jié)構(gòu)損傷

（1）破損安全多途徑傳力結(jié)構(gòu)（相鄰結(jié)構(gòu)）

主傳力途徑破壞時和破壞后，在其主要破壞部位的鄰近傳力途徑中，假設(shè)存在如下?lián)p傷：

1）多途徑傳力非獨立結(jié)構(gòu)。在初始裂紋尺寸上，加上到主傳力途徑破壞時為止發(fā)生的裂紋擴展量Δa。

2）多途徑傳力獨立結(jié)構(gòu)。規(guī)定同連續(xù)損傷假設(shè)中的2）。

（2）破損安全止裂結(jié)構(gòu)（相鄰結(jié)構(gòu)）

對破損安全止裂結(jié)構(gòu)，在快速裂紋擴展被制止后，結(jié)構(gòu)中假設(shè)存在的主損傷因結(jié)構(gòu)形式而定。在通常的蒙皮桁條結(jié)構(gòu)中，應(yīng)當假設(shè)為兩跨蒙皮開裂加上中間桁條斷開。對其他結(jié)構(gòu)形式，應(yīng)假設(shè)經(jīng)承包方和訂貨方雙方同意的當量損傷。與主損傷相鄰結(jié)構(gòu)中的損傷假設(shè)同連續(xù)損傷假設(shè)中的2）和3）。

5.5.4.4　使用中檢查后損傷假設(shè)

由于采用按計劃的使用中檢查來保證安全，一次檢查后結(jié)構(gòu)的初始裂紋假設(shè)要求與外場或修理廠的無損檢測能力相適應(yīng)，不要求與制造廠最初的生產(chǎn)檢驗時無損檢測能力相適應(yīng)。只有在某些情況下，特定部件在修理時從機上卸下檢查確實經(jīng)濟，并有合格的檢驗人員，執(zhí)行與制造過程同一無損檢測程序時，檢查后的裂紋尺寸可以和制造廠無損檢測后假設(shè)的初始裂紋尺寸相同。

如果檢查是在不卸機的情況下并采用滲透、磁粉和超聲波等方法進行，在緊固件有充分的可達性的地方，最小可檢損傷在緊固件孔處無遮長度6.4mm，可以是穿透裂紋，也可以是非穿透裂紋，隨零件的厚度而定（見圖28-5-40）。

5.5.5　剩余強度

5.5.5.1　剩余強度概念

結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)裂紋能夠顯著地影響它的強度，一般來說，帶裂紋結(jié)構(gòu)的強度會大大地低于損傷結(jié)構(gòu)的強度。為了防止災(zāi)難性破壞的發(fā)生，人們必須估算開裂結(jié)構(gòu)在其整個壽命期內(nèi)的承載能力。開裂結(jié)構(gòu)的承載能力就是該結(jié)構(gòu)的剩余強度，它隨材料的韌性、裂紋尺寸、裂紋幾何形狀和結(jié)構(gòu)構(gòu)型而變化。

損傷容限設(shè)計的基本概念是要確保結(jié)構(gòu)在預期的整個使用壽命期內(nèi)的安全性。為了提供要求的安全性，必須按如下原則進行結(jié)構(gòu)設(shè)計：在結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂紋或者部分破壞的情況下，它仍能承受使用載荷，也就是說，結(jié)構(gòu)必須是損傷容限的。其首要的原則是保持要求的最小剩余強度，以防止結(jié)構(gòu)發(fā)生災(zāi)難性破壞。

為了確定在一定載荷條件下，給定結(jié)構(gòu)的剩余強度，必須發(fā)展相應(yīng)的預計技術(shù)，并且要求充分考慮剩余強度估算中的復雜性。對于必須視為緩慢裂紋增長結(jié)構(gòu)的單途徑傳力結(jié)構(gòu)，剩余強度的計算是簡單的。

剩余強度的預計技術(shù)——三步法：第一步是確定應(yīng)力強度因子關(guān)系式；第二步是確定破壞準則（K=K_C）；第三步是利用前兩步的結(jié)果導出斷裂強度與臨界尺寸之間的關(guān)系式。一旦得到了數(shù)量足夠的數(shù)值，就可作出剩余強度圖。

也可以借助于圖解法來解決這個問題，圖28-5-41 說明了這種方法。圖28-5-41（a）標出了這三個步驟。第一步是利用方程對不同應(yīng)力值畫出K-a曲線。第二步要求在同一圖上畫出K=K_C的水平線，這條水平線代表這種材料的臨界應(yīng)力強度，即斷裂韌度，它與裂紋長度無關(guān)。第三步利用了水平線和曲線的交點。在這些交點處，破壞準則得到滿足，即。這些點處的各個應(yīng)力值和裂紋尺寸，分別被稱作給定結(jié)構(gòu)，即非加肋板的破壞應(yīng)力和臨界裂紋尺寸。在圖28-5-41（b）中，通過繪制σ_c-a曲線，最終建立了剩余強度圖。

如果要表示剩余強度隨時間的變化，需要把裂紋尺寸定為時間的函數(shù)，如圖28-5-42所示，就可以得到圖28-5-43所示的剩余強度-壽命曲線。由于結(jié)構(gòu)損傷增加，承載能力單調(diào)性降低。當剩余強度曲線與要求的剩余強度值相交時發(fā)生破壞。即當結(jié)構(gòu)的剩余強度低于使用載荷譜中的最大應(yīng)力值時，就可能發(fā)生破壞。為了避免這樣一種破壞，對該問題的全面了解是重要的。

5.5.5.2　多途徑傳力結(jié)構(gòu)剩余強度曲線

在單途徑傳力結(jié)構(gòu)中，對于給定的結(jié)構(gòu)，剩余強度分析僅僅包括一種破壞準則。而在組合結(jié)構(gòu)中，則有多途徑傳力和裂紋止裂兩種情況。圖28-5-44所示的多途徑傳力組合結(jié)構(gòu)中，只要中心元件未破壞，所有三個元件共同分擔總載荷。在中心元件破壞的情況下，如果結(jié)構(gòu)還保持完整，總載荷F（精確的是1.15F）在破壞瞬間必須由另外兩個元件傳遞。圖28-5-44所示的多途徑傳力結(jié)構(gòu)的剩余強度特性可以用圖28-5-45來說明。圖28-5-45表明，當一個元件破壞時，剩余的平行元件能承受所需承受的載荷而不破壞，但當中心元件裂紋擴展和當殘存元件開裂時，剩余強度能力降低，圖28-5-45顯示了由于元件破壞而引起的強度特性不連續(xù)變化的情況。如果必須保持原有的載荷F，則由于其他元件內(nèi)載荷水平急劇增加，殘存元件將是短壽的。這樣，第二個元件可能在t₂時間后破壞。而剩余強度則在時間t₁和t₂之間的某處下降到安全水平以下。從第一個元件破壞到結(jié)構(gòu)破壞之間所持續(xù)的時間，可能短，也可能長，這取決于第一個元件的破壞形式和破壞后的載荷要求。這段時間間隔可用來檢查第一個元件破壞及修理結(jié)構(gòu)。

中心元件（平行元件中的任一個）的破壞應(yīng)力或臨界裂紋尺寸大小的估算，可以用與單途徑傳力結(jié)構(gòu)類似的方式來進行。利用疲勞裂紋擴展分析，可以得到從最小可檢測裂紋尺寸到臨界裂紋尺寸的裂紋擴展曲線，如圖28-5-46所示。在多途徑傳力結(jié)構(gòu)中，結(jié)構(gòu)的局部破壞可能在其使用期內(nèi)發(fā)生，但是，這種破壞應(yīng)該在整個結(jié)構(gòu)發(fā)生災(zāi)難性破壞以前的某次檢查中被檢查出來。一個恰當?shù)臋z查計劃除了對檢查間隔的使用要求外，還應(yīng)該包括結(jié)構(gòu)特性的分析。

為了描述有關(guān)復雜結(jié)構(gòu)剩余強度估算的分析方法，研究一個軸向加載的縱向肋蒙皮-桁條組合結(jié)構(gòu)，如圖28-5-47所示。假設(shè)緊固件是絕對剛硬的，則蒙皮和桁條中相鄰點的位移是相等的（如果蒙皮與桁條用同種材料制成，則在無裂紋的情況下，兩者中的應(yīng)力也將相等）。令蒙皮內(nèi)出現(xiàn)一條橫向裂紋，這將在蒙皮內(nèi)引起較大位移，而桁條也必須隨之產(chǎn)生較大的位移。結(jié)果，桁條承受了來自蒙皮的載荷，蒙皮應(yīng)力則以增加桁條應(yīng)力作為代價而得到降低。因此，開裂蒙皮內(nèi)位移要比含同樣尺寸裂紋的非加肋板內(nèi)的位移小。這就意味著，蒙皮內(nèi)應(yīng)力較低，從而其應(yīng)力強度因子也較低。桁條越靠近裂紋，載荷轉(zhuǎn)移越有效。

如果非加肋板內(nèi)小裂紋應(yīng)力強度因子可近似地表示為，加肋板內(nèi)應(yīng)力強度因子將為。當裂紋尖端靠近桁條時，減縮系數(shù)將減小。因為桁條承受從蒙皮傳來的載荷，桁條應(yīng)力將從σ增加到Lσ，其中L在裂紋尖端接近桁條時將增大。顯然有0<β≤1和L≥1。其數(shù)值大小取決于加強比、連接件剛度和裂紋尺寸與桁條間距之比。如后面將要表明的，β和L很容易計算。有一點要充分地引起注意：β和L都隨裂紋長度而變化，如圖28-5-48所示。

由于加肋蒙皮結(jié)構(gòu)的復雜性，要作出剩余強度圖相當麻煩。首先考慮蒙皮突然發(fā)生破壞的情況。當裂紋與桁距相比較小時，蒙皮的剩余強度不受桁條的影響，其剩余強度圖的初始部分與非加肋板的圖線重合（見圖28-5-49中A點）。一旦裂紋尺寸足夠大，蒙皮不再能承受使用載荷時，桁條將承受部分從蒙皮傳來的載荷，這樣就減小了蒙皮的應(yīng)力。因此，裂紋尖端應(yīng)力強度因子將由于應(yīng)力減小而降低，而蒙皮結(jié)構(gòu)的剩余強度將隨裂紋長度增加而增加，如圖28-5-48所示。當裂紋尺寸進一步增加而達到桁條位置時，由蒙皮傳向桁條的載荷也明顯增加，因此減小了應(yīng)力強度因子。對于更長的裂紋，加肋板的剩余強度繼續(xù)增大。從圖中還可以看到，非加肋板的剩余強度應(yīng)沿虛線變化，即當裂紋尺寸增加時，剩余強度持續(xù)減小。這是因為，在這種單途徑傳力結(jié)構(gòu)中，不存在上述那種減小裂紋尖端應(yīng)力強度因子的固有特性。

將蒙皮加肋結(jié)構(gòu)的剩余強度圖重新畫于圖28-5-50中，圖中定義了對分析人員有意義的幾個附加點。對含有長度為a_A裂紋的結(jié)構(gòu)，其剩余強度用點A表示。因為A點對應(yīng)一個高于峰值應(yīng)力σ_p的破壞應(yīng)力，在此應(yīng)力下，裂紋將快速擴展，使板完全破壞。如果結(jié)構(gòu)中含有一個介于a_B和a_D之間長度為a_C的裂紋，裂紋快速擴展，但在裂紋長度a_B處止裂。因為此處所具有的剩余強度大于施加（破壞）應(yīng)力。蒙皮加肋結(jié)構(gòu)的這種裂紋擴展與止裂特性，大大地有助于滿足破損安全結(jié)構(gòu)的檢查要求。

只有C或E點的破壞應(yīng)力水平增加到與F點相應(yīng)的水平，也即達到σ_p時壁板才會完全破壞。當應(yīng)力增加超過E點時，裂紋從σ_E擴展，以便在輸入應(yīng)力和剩余強度之間保持平衡。當應(yīng)力達到σ_p時，裂紋已經(jīng)擴展到a_F，在此點，裂紋快速擴展引起壁板破壞。

5.5.6　損傷檢查

損傷檢查是結(jié)構(gòu)獲得損傷容限特性的一個重要方面，它是保證結(jié)構(gòu)在整個飛機使用壽命期間滿足結(jié)構(gòu)完整性要求和飛機的連續(xù)適航所必需的。損傷檢查要解決檢查部位、檢查地點、檢測方法、檢查間隔四個方面的問題，納入結(jié)構(gòu)維修計劃中統(tǒng)一考慮。

結(jié)構(gòu)的檢查部位，包括全部飛行安全結(jié)構(gòu)可能產(chǎn)生災(zāi)難性破壞的部位，要由對于腐蝕、偶然及疲勞損傷評定來確定，在使用過程中不斷補充和校正，檢查地點可以是場站，也可以是大修廠，要根據(jù)檢查的內(nèi)容來決定。

檢測方法包括目視檢測和無損檢測（NDI）兩類。根據(jù)不同的可檢查度，還可再細致地劃分。檢查間隔要根據(jù)不同結(jié)構(gòu)類型按照損傷容限評定步驟來確定。

5.5.6.1　可檢查度

結(jié)構(gòu)的可檢查度與檢查技術(shù)和方法以及可達性有關(guān)，對于飛行安全結(jié)構(gòu)，有以下六種可檢查度：

1）飛行明顯可檢。飛行中結(jié)構(gòu)出現(xiàn)損傷的性質(zhì)和程度使空勤人員立即無誤地意識到結(jié)構(gòu)已經(jīng)產(chǎn)生重要的損傷，并應(yīng)中止飛行任務(wù)。

2）地面明顯可檢。結(jié)構(gòu)損傷的性質(zhì)和程度使地勤人員不需要對結(jié)構(gòu)進行專門檢查即可迅速無誤地查出。

3）巡回目視可檢。結(jié)構(gòu)損傷的性質(zhì)和程度使檢查人員不必開啟檢查口蓋、艙門，也不使用特殊工具，通常從地面對結(jié)構(gòu)表面進行目視檢查即可查出。

4）特殊目視可檢。結(jié)構(gòu)損傷的性質(zhì)和程度使檢查人員必須拆下檢查口蓋、艙門，使用反射鏡、放大鏡等簡單助視工具，且不除去油漆、密封，也不采用滲透劑、X射線等無損檢測技術(shù)對結(jié)構(gòu)進行詳細目視檢測即可查出。

5）場站級或基地級可檢。結(jié)構(gòu)損傷的性質(zhì)和程度使檢查人員可采用磁粉、滲透劑、X射線、超聲波、渦流等一種或多種選定的無損檢測技術(shù)對結(jié)構(gòu)進行檢查，檢查時允許卸下設(shè)計的可分離部件。

6）使用中不可檢。受結(jié)構(gòu)損傷尺寸或可達性限制，檢查人員使用上述一種或多種檢查方法不能查出結(jié)構(gòu)中的損傷。

對于上述六種可檢查度，還規(guī)定了與之對應(yīng)的典型檢查間隔，見表28-5-12。

5.5.6.2　檢查能力評估方法

當用目視檢查或NDI檢查裂紋時，損傷容限關(guān)心的問題是可能漏檢的最長裂紋。事實上對同樣長度的一條裂紋進行檢測，即使選用同一檢查方法，也并不總是能夠給出唯一的答案。結(jié)構(gòu)幾何（形狀和尺寸）、材料、檢測環(huán)境、裂紋位置、方位和尺寸、操作人員技術(shù)水平及認真程度都會影響對該裂紋的檢測。這些情況可以用各種檢查方法在特定的條件下對裂紋的覺察概率POD來定量描述。POD的定義為：給定結(jié)構(gòu)元件和確定裂紋的條件下，用規(guī)定檢查方法，在有代表性的檢驗人員和工作環(huán)境下可查出該裂紋的百分數(shù)。在實際結(jié)構(gòu)中，沒有一種檢查方法能保證100%地覺察所有的規(guī)定為某一長度的裂紋。因此，可檢裂紋長度必須規(guī)定一個合理的置信水平。例如要求95%置信水平，使裂紋有90%的覺察概率，可以表達為POD/CL=90/95。

（1）裂紋覺察概率曲線測定方法

1）試驗驗證設(shè)計。在NDI能力驗證中，應(yīng)該有足夠多的試樣（比如30件以上），以滿足POD/CL=90/95的要求，帶裂紋與不帶裂紋件混合放置，采用標準過程進行探傷，用以模擬生產(chǎn)中進行的探傷過程。在試件設(shè)計及檢驗人員方面都要有一定的要求。

以下因素是設(shè)計中應(yīng)考慮的：

①試件設(shè)計。試件形狀、尺寸、表面粗糙度，缺陷類型、位置、方向及產(chǎn)生缺陷的方法。

②子樣大小。根據(jù)分析方法要求選擇帶有各種不同尺寸缺陷的試件數(shù)，每件裂紋可實行合理的多次檢查。

③探傷過程。制定每位檢測人員遵守的細則規(guī)定，如互不交流信息、不得在試件上作記號等，以保證每次檢測的獨立性。

④試件制造。不帶裂紋試件等于或超過帶裂紋試件，試件應(yīng)有標識。

⑤探傷人員應(yīng)具代表性，不要求對各種探傷能力有預先的估計。

⑥分析。必要時采用拉斷試件方法鑒定真裂紋尺寸。

2）檢測數(shù)據(jù)分析。

①檢測數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析?？蓪⒘鸭y長度劃分為若干子區(qū)間，把檢測數(shù)據(jù)納入各自的區(qū)間內(nèi)，用區(qū)間上端點代表該區(qū)間全部裂紋的長度。接著，將檢測結(jié)果填入統(tǒng)計分析表28-5-13內(nèi)，即可逐項統(tǒng)計需要的覺察概率點估計和在規(guī)定置信水平下的覺察概率置信下限。

②覺察概率曲線的擬合。以上是對各代表裂紋長度進行的統(tǒng)計分析。如果將表28-5-13中各裂紋長度區(qū)間的覺察概率的點估計和區(qū)間估計的置信下限置于坐標紙上，就可以直接作出50%置信水平的覺察概率曲線（POD-a曲線）和對應(yīng)給定置信水平（1-α）的裂紋覺察概率曲線POD（1-α）-a。該曲線可直接光滑連接各測量點作出，不需作任何函數(shù)擬合形式的假設(shè)。

覺察概率曲線還可以有另外一種做法，就是事先對裂紋覺察概率曲線的形式作假設(shè)，再用最小二乘法，根據(jù)較少的試驗數(shù)據(jù)即可擬合求得。推薦以下三類函數(shù)形式：

冪函數(shù)型

　?。?8-5-10）

指數(shù)函數(shù)型

　?。?8-5-11）

威布爾函數(shù)型

　?。?8-5-12）

對冪函數(shù)型，待定常數(shù)a₁、a₂的物理意義很明顯，一般可由經(jīng)驗選定，只有m值由試驗確定。指數(shù)函數(shù)中的3個常數(shù)：c₁是一個非常接近于1的數(shù)，可事先選定，如0.98～0.99，以防止很長裂紋亦存在漏檢的情況；a₀可根據(jù)經(jīng)驗選定；只有c₂需要通過檢測試驗確定。至于三參數(shù)威布爾分布中的3個常數(shù)：a₀表示可檢裂紋門檻值；a為形狀系數(shù)，一般對一種檢測可選取同一值，不必隨材料等特性變化；λ為分布的特征裂紋長度，它們可由試驗測定。

（2）NDI方法比較（見表28-5-14）

5.5.6.3　檢查間隔

（1）影響檢查間隔的因素

檢查間隔常常與檢查方法相匹配。最簡單和便宜的檢查方法是目視檢查，但它給出的可覺察裂紋長度是各種檢查方法中最長的，這將給出短的檢查周期。如果因此不能滿足規(guī)范要求，則可選擇別的檢查方法。一般地說，檢查級別越高、越精密，則支付的費用也就越高。以裂紋擴展因素來看，如果用Paris公式表達，其中標號“1”表示某一初始狀態(tài)，改變后的狀態(tài)用“2”表示，表28-5-15給出了幾種方案。圖28-5-51為參數(shù)變化與檢查周期的關(guān)系。

（2）確定檢查間隔的步進法

在介紹按結(jié)構(gòu)類別確定檢查間隔的步進法之前，先介紹一下在裂紋擴展曲線中與檢查間隔相關(guān)的量。圖28-5-52中給出了四個有意義的間隔，即

1）N_ap-N_ad=N_p=2×檢查間隔。適用于緩慢裂紋擴展場站級或基地級可檢結(jié)構(gòu)。

2）N_ap-N_ad=N_p=1×檢查間隔。適用于破損安全止裂及破損安全傳力結(jié)構(gòu)。

3）N_ap-N_1.25=2個壽命期。適用于緩慢裂紋擴展不可檢結(jié)構(gòu)。

4）N_ap-N_1.25=1個壽命期。適用于破損安全止裂及破損安全多途徑傳力結(jié)構(gòu)。

①緩慢裂紋擴展結(jié)構(gòu)見表28-5-16。

②破損安全結(jié)構(gòu)見表28-5-17。