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也说裂紋的「良性」和「惡性」
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香港黄先生（阿黄）发了一个非常有趣也非常有意义的帖子——什麼是「良性」和「惡性」的疲勞裂紋? 引起热议，这确实是值得无损检测界同仁思考和探索的重要问题！
黄先生指出：疲勞裂紋有「良性」和「惡性」之分。就像人類的「良性腫瘤」和「惡性腫瘤」一樣，「良性腫瘤」的是不會死亡的，「惡性腫瘤」(癌症)的會很快死亡。实际工作时，对「惡性」的立即拆除更換，「良性」的定期監控使用， 成功為客戶贏得時間和金錢，同時在不影響生產的情況下也保障了安全使用。
对这个话题，我也想发表一点意见：
1、欣赏黄先生提出的问题和他的观点论述。
2、关于疲劳裂紋的「良性」和「惡性」，可以引入结构应力分析中「安定」和「不安定」概念： 所谓安定，是指结构经反复加载后，其变形趋于稳定，或者说不再出现渐增的非弹性变形，则认为此结构是安定的；反之，所谓不安定，是指结构会在反复加载卸载中不断产生新的塑性变形，则可能因塑性疲劳或大变形而发生破坏。
3、结构极限分析设计和疲劳设计中有很多关于结构安定的分析，其中最重要判据是：
＞
结构不安定；≤ 结构安定。有兴趣者可以查阅有关资料。
4、不是所有裂纹都可怕，有些裂纹是没有危险的。当然，判断哪些裂纹危险，哪些裂纹不危险需要更多的知识和经验。我在这里给几个最基本的依据：运行过程中产生的裂纹比制造过程中产生的裂纹危险；垂直于主应力方向的裂纹比不垂直于主应力方向的裂纹危险；向深度方向扩展的裂纹比向长度方向扩展的裂纹危险；处于结构应力集中点上的裂纹比不在结构应力集中点上的裂纹危险；交变载荷下的裂纹比静载荷下的裂纹危险。
5、开展无损检测+缺陷分析+安全评定，可以丰富无损检测技术内涵，提高无损检测的地位，扩大无损检测市场，增加无损检测人员的收入。对无损检测高级人员进行有关培训是可行的。
最后，提一个裂纹的问题考考大家，是一个工程项目发生问题时老外问我的。在架空的不锈钢管道外壁母材上出现一些裂纹，长度较大，深度较浅，方向无规律，老外的问题是：裂纹为什么会这样？
附一段关于结构安定的叙述，供感兴趣的人阅读：
2．安定性分析概念
如果一个结构经几次反复加载后，其变形趋于稳定，或者说不再出现渐增的非弹性变形，则认为此结构是安定的。丧失安定后的结构会在反复加载卸载中引起新的塑性变形，并可能因塑性疲劳或大变形而发生破坏。
若虚拟应力超过材料屈服点，局部高应力区由塑性和弹性区两部分组成。塑性区被弹性区包围，弹性区力图使塑性区恢复原状，从而在塑性区中出现残余压缩应力。残余压缩应力的大小与虚拟应力有关。设结构由理想弹塑性材料制造，现根据虚拟应力 的大小简单分析结构处于安定状态的条件。
（1） 当结构第一次加载时，塑性区中应力-应变关系按OAB线变化，虚拟应力-应变线为OAB′。卸载时，在周围弹性区的作用下，塑性区中的应力沿BC线下降，且平行于OA，如图2.4-2（a）所示。塑性区便存在了残余压缩应力E（ ），即纵坐标上的OC值。若载荷大小不变，则以后的加载、卸载循环中，应力将分别沿CB、BC线变化，不会出现新的塑性变形，在新的状态下保持弹性行为，这时结构是安定的。
（2） 第一次加载时，塑性区中的应力-应变关系按OAB线变化，卸载时沿BC线下降，在C点发生反向压缩屈服而到达D点，如图2.4-2（b）所示。于是在以后的加载、卸载循环中，应力将沿DEBCD回线变化。如此多次循环，即反复出现拉伸屈服和压缩屈服，将引起塑性疲劳或塑性变形逐次递增而导致破坏，这时结构是不安定的。可见，保证结构安定的条件是 ≤ ，由于 ≥1.5Sm，分析设计标准中，将一次加二次应力强度限制在3Sm以内。
由于实际材料并非理想弹塑性材料，屈服后还有应变强化能力，因此上面由极限分析和安定性分析导出的应力限制条件是偏于保守的，使结构增加了一定的安全裕度。
3．疲劳分析概念
（1）低循环疲劳
近50年来，随着石油化工和其他工业的迅速发展，许多压力容器要承受交变载荷，例如频繁的开、停工以及压力波动、温度变化等，使得容器中应力随时间呈周期性（或无规则）变化（即所谓交变应力）。生产规模的大型化和高参数（高压、高温、低温）也使得高强度材料广泛应用于压力容器。这些因素的组合造成了压力容器发生疲劳失效的事故增加。
容器疲劳失效总是起源于局部高应力区。当局部高应力区中的应力超过材料的屈服点时，材料产生屈服变形，在载荷反复作用下，微裂纹于滑移带或晶界处形成，这种微裂纹不断扩展，形成宏观疲劳裂纹并贯穿容器厚度，从而导致容器发生疲劳失效。
疲劳分为高循环疲劳和低循环疲劳两类。在使用期内，应力循环次数超过105次的称为高循环疲劳或高周疲劳，循环次数在102~105次范围内的称为低循环疲劳或低周疲劳。对于一般压力容器，应力循环次数很少有超过105次的，通常只有几千次，故属于高应变、低循环的低周疲劳范围。
（2）JB 4732关于不需作疲劳分析的规定
疲劳分析是建立在应力分析的基础之上，计算工作量很大，而且，不是所有承受交变载荷的容器都会发生疲劳，因此，分析设计规定，当满足一定的条件时，承受交变载荷的容器可免作疲劳分析。显然，免作疲劳分析的条件应该是与交变载荷大小、循环次数、材料性质、以及结构应力集中的程度等因素有关，但为了便于应用，常以交变载荷的循环次数作为判据，并从偏于保守的角度作出规定。例如，JB 4732规定，对于常温抗拉强度 ≤550MPa钢材，若下列4条中总循环次数不超过1000次，容器整体部位可以不作疲劳分析。
① 包括启动与停车在内的全范围压力循环的预计（设计）循环次数；
② 压力波动范围超过设计压力20%的工作压力循环的预计（设计）循环次数；
③ 容器上包括接管在内的任意相邻两点之间金属温差波动的有效次数，这里的有效次数是指金属温差波动的循环次数乘以从表2.4-1查得系数值之积的和；
④ 由热膨胀系数不同的材料组成的部件（包括焊缝），当 ＞0.00034时的温度波动循环次数，其中 与 是两种材料的平均线膨胀系数， 为工作时温度总波动范围。
表2.4-1 温度波动有效次数计算用系数（略）
（3）JB 4732关于疲劳分析的规定
对于判定需要进行疲劳分析的压力容器，可利用设计曲线进行疲劳寿命设计。这些曲线是由材料试验或理论分析得出的，同时根据实际情况已经考虑了平均应力的影响，并计入了工程应用的安全系数。
除利用疲劳曲线的基本疲劳分析方法之外，JB 4732还给出了以下几种方法：
① 在操作条件中存在着两个或更多个显著应力循环时，利用线性累积损伤准则，规定了疲劳寿命的校核方法；
② 关于螺柱承受循环载荷能力的校核；
③ 对于局部结构不连续，角焊缝等特殊部位，可以利用应力集中系数或疲劳强度减弱系数进行疲劳分析的规定；
④ 对于承受静内压的容器，同时又承受热应力循环作用时，规定了求取许可的最大循环热应力的极限值的方法；
⑤ 给出了确定疲劳寿命的试验方法，以便采用较设计疲劳曲线所规定的允许值更高的循环应力强度值；
⑥ 对于整体补强的开孔接管，规定了应力指数，用以估算接管区的应力集中系数。
摘自强天鹏著《压力容器检验》第二章
发表评论 评论 (13 个评论)
- 回复 梁金昆
- 阿黄先生问题提得好！强先生对疲劳裂纹的良性或恶性提出了区分意见，好！
至于怎么从疲劳断面状态，区分疲劳裂纹的良性或恶性，以及断裂前，如何用超声方法预测，还望黄先生明示。
无损检测+缺陷分析+安全评定，是很宽的业务范围，收入会很丰厚，当然很好;但责任也重大。
我认为，无损检测的首要任务，先提供准确的宏观缺陷三向尺寸，特别是沿壁厚方向的尺寸，给安全评定专家。至于NDT人员，能否当结构力学家(计算设备应力)或材料科学家(评价设备安全寿命)，能当，自然好;不能当，别勉强。妄言了！
- 回复 gqking1982
- 学习和消化一段时间在结合实际验证下，我需要总结出实践经验后再来跟老师们一起讨论！
- 回复 阿黃
- 梁老 您好!
很高兴得到您的参与讨论，我本来想稍后再详细解释，现在看到您的要求只好在此草草回答下。至于怎样分辨呢?其实很简单，不需要高深的理论，普通常识就能解释了，我的那两幅图片您已经分析得很正确了。我在此把您的分析看法抄录在此让大家分享下。
「按我的直观理解，第一幅图，疲劳裂纹周向扩展(向轴芯扩展)，应该是良性的，似乎疲劳裂纹扩展速率较慢，瞬断区比例较小，可在一定时间内，监督控制下使用；第二幅图，偏心疲劳断裂，沙滩状裂纹明显，疲劳裂纹扩展速率较快，瞬断区比例较大（约占70%），此类裂纹扩展情况，不可预测，似乎是恶性的。UT发现苗头后，应立即拆除。」
我是根据我的实验经验得到的结果，并且应用后得到证明在某些情况下是完全可行的。香港的电车公司总工告诉我他们的轴断裂到剩下30%还能用。我在澳门某建筑工地的塔式吊机的上检测齿轮轴，出现第一幅图所示的周向开始向轴芯扩展的「良性」疲劳裂纹，两个吊机共有8个同样的齿轮，其中一个已断裂掉落下来，其它7个我用超检测时发现全部有这样周向裂纹。只是裂纹的深浅程度不同，客户开始时还并不相信我们的检测结果，执意要拆卸一个看看是否真的有裂纹，结果拆开后看到整圈是裂纹，无话可说。看到这样结果，我认为作为无损检测已经完成任务了。可我的客户头痛了，因为工程不能延误，如有过期每天是10万港元的罚款。问我怎么办?我告诉他们我不是疲劳失效的专家我是不懂的，我叫他们向原生产厂家查询或者找疲劳失效专家请教。他告诉我厂家已倒闭了，专家提出了十几个可能性，却没有一个能用的方法。
看到这种情况我就提出了一个大胆的建议，明知有裂纹的情况下监控使用，每星期一次超声波检测防止「良性」裂纹扩展超出极限或者变成「恶性」裂纹，对每个齿轮做个钢罩套住，以防万一断裂时有个罩子接着不会从高空坠下伤人，另外指定二个熟练的有牌的驾驶员操作吊机。他们告诉我还有三个月工程，结果做了半年完全没有事，事实证明我的这个概念是可行的。客户可高兴呢!
另外「恶性」的裂纹就是第二幅图，我在超声波检测时发现有偏芯裂纹约1/3周长，马上将报告交给客户，客户转告给制造厂家，这家外国名牌厂家，不相信我们的检测结果，还发出电邮警告我们。客户问我还能坚持使用2星期吗?因为厂家要2星期后才能送条新的轴来更换。每天只有两次的使用，我可不敢答应啊!货柜码头上的大吊臂，长40米重200吨在40米的高度，这要是倒下来可不是开玩笑的，其它国家曾发生过事故的，我有见过动态的录像是非常恐怖的事故。一星期后客户要求我检再检测一次，检测后吓我一跳，这个「恶性」裂纹快速地扩展了，只剩下1/3周长。我立即要求他们停止使用和拆卸，拆卸后用磁粉和渗透方法可以清楚看到大大的裂纹。所以说偏芯的裂纹是「恶性」的疲劳裂纹，像癌症一样扩散得很快是不能等的。
当然啦!我也知道，NDT是检测Testing，不是做分析的Analysis ，客户的这种要求完全超出了NDT范畴。
可是在现实的社会经济活动中，如果只是找出问题却不能为客户解决问题是无法得到客户长久关照「赞赏」的，是无法生存的。
我们不是疲劳失效分析专家，但是我们可以与他们合作，互补起来就能做到安全可靠。我在香港就是这样与疲劳失效专家合作，他们还要靠我们给他提供准确的位置、缺陷的大小尺寸(量化)、缺陷的形态(定性)等等数据，他们才能进行寿命评估呢。
也只有我们通过超声波检测判断出什么「良性」什么是「恶性」的疲劳裂纹，其它人是无法看到的。
值得注意的是我所说的「良性」疲劳裂纹并不是真的不会断裂的，只不过是不会很快出现断裂，这样就可以让客户有充裕的时间去准备订购新的零件更换。
我把这个概念向电厂、核电厂、集装箱码头以及地铁推荐得到他们的认同。因为有些设备在快到达其设计年限准备更换时，如果突然发现裂纹就立即停机更换，打乱了原来的更换计划，会带来重大的经济损失。但是，如果通过我们的NDT(NDE)检测再配合专家分析评估，就可以保证在安全的情况下运作，直到新设备到达后按原计划再进行更换，为客户赢取了宝贵的时间和金钱。同时我们做NDT(NDE)也会得到客户的认同和赞赏。
强总提出的5点意见说得很到位，特别是第4点和第5点我是非常赞同的。
无损检测可以扩展到各行各业，正如网友loulang1314所说 ：「无损检测和断裂力学等结合起来，就已经步入无损评价（NDE）的殿堂了；这是无损检测的必然方向，不仅关注静态缺陷性质、形貌等特征，而且关注缺陷的动态扩展性，从无损评价的角度对设备或工件安全做出专业化的建议或提交可量化的扩展数据，已超出传统无损检测（NDE-E =examination）的范畴了。
从最早NDT-TEST（类似实验室得到客观试验数据）到NDE-examination（得到客观试验数据并作出检测结论、评价），再到NDE-Evaluation（不仅对缺陷静态特征进行测定，而且对缺陷的动态特征进行描述，甚至利用检测技术对无缺陷工件应力水平、断裂因子等进行评定），无损检测越走越远，越走越开阔。
我辈面临着巨大的机遇和巨大的挑战！」
我想借助「远东」这个平台唤起全中国的NDT同仁，不要局限在探伤的层面，应该放开眼界，大胆创新，做更有社会价值的事业，要敢做而不盲做。
我们应该主动站出来告诉社会，我们能为社会做贡献的，在防止和消除安全隐患方面发挥积极的正能量。
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- 个人观点：跟学历没有太大关系，关键在于学不学，学会了吗。
刘恩凯: 不得不说，按照技术能力发展原则，包括我个人的意愿，如果能达到上述水平，其实是每个NDE人员都希望的。但是，这种状态对无损检测人员的要求是不是高或者超乎于 ...
- 回复 zxcvbnm
- 1、 无损检测与断裂力学结合是必然趋势，也是无损检测的终极目标，尤其是在计算机应用广泛的今天。无损检测提供缺陷尺寸、性质、位置、方位等信息，是断裂力学分析不可或缺的前提和必要条件。
2、 要结合材料性能及热处理状态来考虑。轴类或齿轮产品往往进行表面热处理，这样，轴表面和近表面的组织结构与芯部的不同，其机械性能也不同，裂纹在这两个区域的扩展行为也不同。在硬度大的表面、近表面，裂纹扩展快；在韧性好的芯部，裂纹扩展慢。
3、 要考虑载荷（应力）状况。轴类或齿轮产品往往受交变载荷，荷载也有大有小。裂纹由周圈向轴心扩展与从表面一点向另一端扩展，受力状况不同，后者更恶劣一些，裂纹扩展也更快一些，最后表现为脆断。而前者，因轴的热处理工艺（调质+表面热处理），芯部材料经调质处理具有较高的韧性，能延阻裂纹的扩展，只要不过载，还有一定的剩余寿命，这时，如果实施监控、采取降低荷载等措施，还能安全使用一段时间。
4、 黄先生说的“良性裂纹”，为由外向内有规律的发展，其扩展行为较缓慢，通过多次检测，能找出其扩展规律，也就是可对工件的失效进行预测；而“恶性裂纹”则因载荷的变化（外部载荷导致裂纹前端应力强度因子超过临界值时，裂纹就会失稳扩展）、裂纹断面处材料应力的不均匀分布、裂纹易快速扩展等，诸多因素叠加，导致裂纹在较低载荷下快速扩展，造成脆断，故其危险，呈“恶性”。
5、 断裂力学是材料学的一个重要分支，无损检测人员较难在短时间内系统掌握。建议有开发能力的软件公司投入此项研究，利用计算机技术，将复杂的计算和分析程序化，使用人员只需将缺陷参数（性质、尺寸、位置、方位等）、材料参数（牌号、强度、硬度、热处理工艺等）和受力状况等输入电脑，就可给出模拟的缺陷扩展行为（失效方式）、预测工件剩余寿命、提出降低参数继续使用或（和）监控使用条件等建议，让设备更安全、更经济地运行，让断裂力学更好地服务社会，让无损检测焕发新的活力。
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- 《压力容器检验》?