金属结构在多种服役条件下的寿命评估

　　金属结构是工业各个领域应用最广泛、数量最多的结构形式，从简单的零件（如螺栓、弹簧）到复杂的产品（如钢结构、装配体）都存在着其服役极限寿命。绿色制造、精确制造等概念的提出对工业产品提出了更大的挑战，如不满足服役可靠性、轻量化等要求，产品终将被淘汰。

　　金属寿命评估
　　以金属结构的产品设计而言，存在几大问题

　　1）逆向制造现象普遍：绝大多数的工业产品缺乏原创，多山寨，少创新；
　　2）设计与制造脱节严重：产品形状尺寸及技术要求仅能够满足设计指标，对产品服役可靠性具有重要影响的制造过程和服役过程考虑不足，甚至无从考虑；
　　3）寿命验证缺乏科学方法：对服役寿命是关键指标的产品，其验证方式多为基于试错的物理试验法，然后反向改进设计，方法落后。
　　金属结构的产品寿命与产品的材料、制造流程、服役条件等均有关系。疲劳寿命能够帮助我们了解金属及其结构在循环载荷条件下的使用寿命。根据受载程度分为应力疲劳和应变疲劳，工业产品多考虑应力疲劳。

　　以金属结构疲劳失效为例，哪些是影响材料疲劳寿命的因素？

　　材料因素

　　金属材料疲劳寿命与应力状态（平均应力和应力幅）有关，疲劳寿命的表示方式一般用S-N或P-S-N曲线，如图不同材料具有不同的疲劳寿命曲线，数据的获取可按照标准进行疲劳试验。

　　不同材料具有不同的疲劳寿命，如：
　　钢：具有疲劳极限，即应力较低条件下，材料疲劳寿命无限；
　　铝合金：无疲劳极限。
　　此外，注意影响材料疲劳寿命的服役或者试验条件，如温度等。（后文说明）

　　结构及加工因素

　　金属材料形成结构一般都要改变材料的状态。
　　形状的改变：材料由均匀的形状加工成不同尺寸形状的结构，在受载时产生应力集中从而影响局部寿命，该方面其本质是应力状态改变寿命。
　　微观组织状态的改变：结构成型过程中无论是冷加工（冷轧）还是热加工（热锻、焊接），都会产生组织变化，继而影响材料本身的疲劳寿命，该方面本质是材料性能改变寿命。
　　组织变化类型：塑性流变、轧制、热相变、回复再结晶等。
　　此外，成型制造过程中组织梯度（如焊接接头）使结构在受载过程中的应力响应复杂化、疲劳寿命非匀质化，疲劳寿命的预测增加不确定性和概率性。
　　结构寿命最简单的测试方法是非标试验，即对整个结构进行疲劳试验，获得结构疲劳失效位置及疲劳寿命。

　　应力因素

　　应力是疲劳寿命最主要的影响因素。应力分类：
　　一次应力，即结构受服役外载时的直接应力响应，仅于服役载荷有关，随外载瞬时响应；
　　二次应力，如温度的热胀冷缩产生的应力，以及残余应力（塑性成型、焊接等）。最终在综合应力的条件下影响疲劳寿命。

　　应力测试法
　　应力具体数值获得方式：
　　试验测试：应变片法、数字散斑相关性法（DIC）等可在线测量。
　　数值模拟：可通过有限元（FEM）计算获得。
　　残余应力测试方法：如小孔法、X射线法等。可按照相关的标准测量。

　　服役环境（多场耦合）
　　服役环境对金属材料及结构疲劳寿命具有重要影响。通常以多场耦合的方式引起疲劳寿命的变化。
　　温度：除产生二次应力外，引起材料非线性（不同温度条件下性能改变）；
　　腐蚀环境：材料或者结构的腐蚀和应力腐蚀会加速疲劳裂纹的萌生和扩展，严重降低结构疲劳寿命。
　　因此，面向复杂、苛刻服役环境时，必须考虑到环境多物理场（力、光、电、热、磁等）的影响。