[摘要]傳統(tǒng)計(jì)算方法和檢驗(yàn)方法都與軸中的缺陷無關(guān)，因而不能正確地反映軸的強(qiáng)度和使用壽命。此類軸件的斷裂多數(shù)是因內(nèi)在裂紋擴(kuò)展而致。因此，損傷容限計(jì)算是一種較新的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論，對(duì)裂紋亞臨界擴(kuò)展階段的研究來計(jì)算裂紋從初始長度發(fā)展到臨界長度（此時(shí)工件將發(fā)生斷裂）的壽命，確定帶缺陷工件的承載能力。

[關(guān)鍵詞]裂紋擴(kuò)展 損傷容限 壽命

一、前言

針對(duì)冶金企業(yè)機(jī)械軸件傳動(dòng)較多,并且出現(xiàn)事故損失較大,我們進(jìn)行軸件失效分析,軸件中均有大小和分布不同的內(nèi)部缺陷（裂紋）,冶金機(jī)械的軸件多用45*鋼正火（或調(diào)質(zhì)）作成,按無限壽命的傳統(tǒng)疲勞強(qiáng)度計(jì)算或靜強(qiáng)度計(jì)算，有較大的安全系數(shù)。軸材在加工前后均作超聲探傷，并截頭做常規(guī)材料性能試驗(yàn)。但這并未能防止軸的失效。雖然原因多種，也說明傳統(tǒng)的計(jì)算方法未反映出軸材缺陷的影響，而現(xiàn)有探傷標(biāo)準(zhǔn)（廠標(biāo)）無疑成為檢查軸件失效的主要標(biāo)準(zhǔn)之一。實(shí)踐證明，這類軸內(nèi)部（或表面）均不可避免的有裂紋或類裂紋，斷裂失效是由裂紋擴(kuò)展而成的。斷口無明顯的塑性變形。損傷容限計(jì)算把軸中缺陷與材料強(qiáng)度聯(lián)系了起來,這一方法與其他方法一道可以更好的分析軸件失效的原因，同時(shí)也可以較正確地估計(jì)軸的壽命。

二、損傷容限分析

對(duì)軸類失效的分析，通常包括材料的化學(xué)成分，金相組織，常規(guī)機(jī)械性能及宏觀斷口等。這些檢驗(yàn)是需要的，但是，這些檢驗(yàn)中的某些數(shù)據(jù)僅僅與傳統(tǒng)的常規(guī)計(jì)算相聯(lián)系，或僅供常規(guī)計(jì)算參考。為了與裂紋擴(kuò)展相聯(lián)系，其中較主要的就是損傷容限分析方法，當(dāng)張開型裂紋尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子值達(dá)到材料的斷裂韌度時(shí)，裂紋就要擴(kuò)展，即斷裂失效的判據(jù)是。 即在較精確的分析零件應(yīng)力的基礎(chǔ)上，根據(jù)所需零件的壽命，估算出初始裂紋尺寸。

對(duì)于像45*鋼，在估算裂紋擴(kuò)展時(shí)所需特殊處理的問題是裂紋前端鈍化并處于彈塑性狀態(tài)，在沒有這方面的精確解時(shí)，需要有一個(gè)判別線彈性理論是否適用的界限。在彈塑性范圍內(nèi)，可用J積分或COD作為判據(jù)，在平面應(yīng)力狀態(tài)下［1］提出裂紋前端張開量δ可用下式表示：

式中 σy -材料的屈服限,E-材料的彈性模量,α-裂紋長度之半,σ-無裂紋時(shí)，該點(diǎn)的計(jì)算應(yīng)力。在平面應(yīng)力狀態(tài)下：

根據(jù)［1］σy 應(yīng)以1/2（σy+σb）代替，式子σb為材料的極限強(qiáng)度。因此，在彈塑性狀態(tài)下裂紋允許的半長α＇與線彈性條件下裂紋允許的半長α間的關(guān)系式為：

ΔK---在交變載荷下最大與最小應(yīng)力強(qiáng)度因子的差值,

C 、n通過實(shí)驗(yàn)和長期積累的歷史資料確定的系數(shù)。

三、運(yùn)用實(shí)例分析

1998年7月27日我公司軋機(jī)減速機(jī)主動(dòng)齒輪軸發(fā)生斷裂實(shí)例失效分析如下，聯(lián)軸器設(shè)有安全螺栓，軸斷裂時(shí)安全螺栓完好，其他時(shí)候該螺栓有剪斷說明事故發(fā)生時(shí)，機(jī)器沒有超載運(yùn)行。斷口外觀平整，無明顯的塑性變形，外緣有部分撕裂，有多處陳舊性銹痕，中部呈放射狀，無明顯的貝殼紋。斷口的深處的縱截面和橫截面的金相組織為片狀珠光體和網(wǎng)狀鐵素體。用電子顯微鏡觀察，有明顯的河流花樣。運(yùn)用常規(guī)的理化檢驗(yàn)，電子顯微鏡檢驗(yàn)，傳統(tǒng)的計(jì)算方法和損傷容限計(jì)算方法等綜合分析其失效的原因，得出了較可信的結(jié)論。

1．理化檢驗(yàn)化學(xué)成分：C 0.45%、Si 0.29%、Mn 0.69%、S 0.021%、P 0.023%

2．材料性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)：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．按傳統(tǒng)疲勞強(qiáng)度校核斷口附近的安全系數(shù)計(jì)算所示：實(shí)際情況nσ4.37、nτ1.25、n 1.22、σmαx(Kg/mm2) 7.4、τmαx(Kg/mm2)12.27,符合圖紙 nσ4.16、nτ1.62、n 1.55、σmαx(Kg/mm2) 6.23、τmαx(Kg/mm2)8.24

四、結(jié)論分析

結(jié)構(gòu)和材料在初始狀態(tài)時(shí)就可能帶有冶金和制造缺陷，并在使用過程中會(huì)因環(huán)境、過載等而產(chǎn)生裂紋,傳統(tǒng)的疲勞強(qiáng)度計(jì)算法并不能保證有缺陷零件的必要壽命, 該軸早期斷裂失效是因熱處理不當(dāng)，加工工藝不符圖紙要求。結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)能容忍裂紋的存在、但在給定的檢修期內(nèi)其擴(kuò)展導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的損壞。

參考文獻(xiàn)：

[1] H.L.Cox,A Ggeneral Intsduction for Fracfure Mechanics,1978

[2] 劉金春, 結(jié)構(gòu)力學(xué)[M] 北京： 中國建材工業(yè)出版社，2003

[3] 黃其青. 結(jié)構(gòu)力學(xué)基礎(chǔ) [M]. 成都: 西北工業(yè)大學(xué)出版社,2002

作者簡介：

王敬成，男，漢，遼寧省大石橋市，鞍山鋼鐵學(xué)院畢業(yè)。遼寧金鼎鎂礦集團(tuán)機(jī)械公司工程師。

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