[摘要]传统计算方法和检验方法都与轴中的缺陷无关，因而不能正确地反映轴的强度和使用寿命。此类轴件的断裂多数是因内在裂纹扩展而致。因此，损伤容限计算是一种较新的结构设计理论，对裂纹亚临界扩展阶段的研究来计算裂纹从初始长度发展到临界长度（此时工件将发生断裂）的寿命，确定带缺陷工件的承载能力。
[关键词]裂纹扩展 损伤容限 寿命
一、前言
针对冶金企业机械轴件传动较多,并且出现事故损失较大,我们进行轴件失效分析,轴件中均有大小和分布不同的内部缺陷（裂纹）,冶金机械的轴件多用45*钢正火（或调质）作成,按无限寿命的传统疲劳强度计算或静强度计算，有较大的安全系数。轴材在加工前后均作超声探伤，并截头做常规材料性能试验。但这并未能防止轴的失效。虽然原因多种，也说明传统的计算方法未反映出轴材缺陷的影响，而现有探伤标准（厂标）无疑成为检查轴件失效的主要标准之一。实践证明，这类轴内部（或表面）均不可避免的有裂纹或类裂纹，断裂失效是由裂纹扩展而成的。断口无明显的塑性变形。损伤容限计算把轴中缺陷与材料强度联系了起来,这一方法与其他方法一道可以更好的分析轴件失效的原因，同时也可以较正确地估计轴的寿命。
二、损伤容限分析
对轴类失效的分析，通常包括材料的化学成分，金相组织，常规机械性能及宏观断口等。这些检验是需要的，但是，这些检验中的某些数据仅仅与传统的常规计算相联系，或仅供常规计算参考。为了与裂纹扩展相联系，其中较主要的就是损伤容限分析方法，当张开型裂纹尖端的应力强度因子值达到材料的断裂韧度时，裂纹就要扩展，即断裂失效的判据是。 即在较精确的分析零件应力的基础上，根据所需零件的寿命，估算出初始裂纹尺寸。
对于像45*钢，在估算裂纹扩展时所需特殊处理的问题是裂纹前端钝化并处于弹塑性状态，在没有这方面的精确解时，需要有一个判别线弹性理论是否适用的界限。在弹塑性范围内，可用J积分或COD作为判据，在平面应力状态下［1］提出裂纹前端张开量δ可用下式表示：
式中 σy -材料的屈服限,E-材料的弹性模量,α-裂纹长度之半,σ-无裂纹时，该点的计算应力。在平面应力状态下：
根据［1］σy 应以1/2（σy+σb）代替，式子σb为材料的极限强度。因此，在弹塑性状态下裂纹允许的半长α＇与线弹性条件下裂纹允许的半长α间的关系式为：
ΔK---在交变载荷下最大与最小应力强度因子的差值,
C 、n通过实验和长期积累的历史资料确定的系数。
三、运用实例分析
1998年7月27日我公司轧机减速机主动齿轮轴发生断裂实例失效分析如下，联轴器设有安全螺栓，轴断裂时安全螺栓完好，其他时候该螺栓有剪断说明事故发生时，机器没有超载运行。断口外观平整，无明显的塑性变形，外缘有部分撕裂，有多处陈旧性锈痕，中部呈放射状，无明显的贝壳纹。断口的深处的纵截面和横截面的金相组织为片状珠光体和网状铁素体。用电子显微镜观察，有明显的河流花样。运用常规的理化检验，电子显微镜检验，传统的计算方法和损伤容限计算方法等综合分析其失效的原因，得出了较可信的结论。
1．理化检验化学成分：C 0.45%、Si 0.29%、Mn 0.69%、S 0.021%、P 0.023%
2．材料性能试验数据：σb(MPa) 8.48、σ0.2(MPa) 6.22、δ5 14.16%、Ψ31.98%、αk(τ/cm2) 25、HB(表面) 255265、σb(MPa) =0.46σb、τ-1(MPa) =0.55σ-1、JICKg/mm5.336、ΔKfhKg/mm3/227.99（r=0.1）
3．按传统疲劳强度校核断口附近的安全系数计算所示：实际情况nσ4.37、nτ1.25、n 1.22、σmαx(Kg/mm2) 7.4、τmαx(Kg/mm2)12.27,符合图纸 nσ4.16、nτ1.62、n 1.55、σmαx(Kg/mm2) 6.23、τmαx(Kg/mm2)8.24
四、结论分析
结构和材料在初始状态时就可能带有冶金和制造缺陷，并在使用过程中会因环境、过载等而产生裂纹,传统的疲劳强度计算法并不能保证有缺陷零件的必要寿命, 该轴早期断裂失效是因热处理不当，加工工艺不符图纸要求。结构的设计应能容忍裂纹的存在、但在给定的检修期内其扩展导致结构的损坏。
参考文献：
[1] H.L.Cox,A Ggeneral Intsduction for Fracfure Mechanics,1978
[2] 刘金春, 结构力学[M] 北京： 中国建材工业出版社，2003
[3] 黄其青. 结构力学基础 [M]. 成都: 西北工业大学出版社,2002
作者简介：
王敬成，男，汉，辽宁省大石桥市，鞍山钢铁学院毕业。辽宁金鼎镁矿集团机械公司工程师。
注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读。
声明：
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编辑：中冶有色技术网
来源：王敬成
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