肖大軍

【摘 ?要】對(duì)機(jī)械零件疲勞強(qiáng)度的研究在航天、造船、原子能研發(fā)等科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域都有著極其重大的意義，在提高機(jī)械零件質(zhì)量、延長(zhǎng)零件壽命等方面有極大的實(shí)用價(jià)值。本文針對(duì)影響機(jī)械零件疲勞強(qiáng)度的因素展開(kāi)分析，對(duì)幾種主要因素進(jìn)行解釋、歸類，并在此基礎(chǔ)上提出工藝改進(jìn)的辦法。

【關(guān)鍵詞】機(jī)械零件;疲勞強(qiáng)度;因素分析

機(jī)械零件在使用中由于各種各樣的原因會(huì)不斷被磨損，直至最終完全失去功用。這說(shuō)明零件的疲勞強(qiáng)度決定著零件的使用壽命。為使機(jī)械零件更持久耐用，方便零件設(shè)計(jì)師對(duì)癥下藥，對(duì)影響機(jī)械零件疲勞強(qiáng)度的因素展開(kāi)研究是十分必要的。

一、機(jī)械零件疲勞強(qiáng)度的因素分析

1.應(yīng)力集中的影響

應(yīng)力集中，即當(dāng)機(jī)械結(jié)構(gòu)受力時(shí)，其截面上的臺(tái)階、開(kāi)孔、樺槽等局部區(qū)域出現(xiàn)的應(yīng)力增大現(xiàn)象[1]。機(jī)械零件中的脆性構(gòu)件受應(yīng)力集中的影響較大，可能會(huì)出現(xiàn)裂紋或直接斷裂。機(jī)械零件中應(yīng)力集中的部位，例如尖角、鍵槽等，往往是導(dǎo)致機(jī)械疲勞、縮短機(jī)械壽命、引發(fā)破壞事故的源頭。比如，1953年至1954年兩年間英國(guó)海外航空公司發(fā)生3起“彗星”號(hào)客機(jī)墜毀事件，調(diào)查結(jié)果顯示飛機(jī)失事是由于客艙加壓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，機(jī)身鉚釘孔處應(yīng)力集中過(guò)度，最終導(dǎo)致氣密座艙的破裂。理論上最大局部彈性應(yīng)力除以平均應(yīng)力所得的數(shù)值即為應(yīng)力集中指數(shù)，這個(gè)指數(shù)不受載荷的影響且永遠(yuǎn)比1大。實(shí)際中機(jī)械零件受到的有效應(yīng)力與理論上計(jì)算出的應(yīng)力并不吻合，理論應(yīng)力算法以彈性理論為支撐，沒(méi)有考慮到應(yīng)力集中對(duì)塑性機(jī)械零件材料疲勞強(qiáng)度的影響，不夠全面。

2.尺寸的影響

根據(jù)機(jī)械零件構(gòu)件材料尺寸的大小不同，應(yīng)力梯度、統(tǒng)計(jì)因素、工藝因素等都會(huì)發(fā)生不同程度的變化，對(duì)機(jī)械零件疲勞程度產(chǎn)生影響[2]。一般來(lái)說(shuō)，尺寸越大，機(jī)械零件疲勞強(qiáng)度越小，大尺寸的材料所含的晶粒粗大，材料表面缺陷問(wèn)題多，出現(xiàn)應(yīng)力集中的材料面積大，使得機(jī)械零件疲勞強(qiáng)度大大降低，對(duì)零件造成嚴(yán)重?fù)p害，如構(gòu)件材料抵抗不住應(yīng)力的集中摧殘會(huì)出現(xiàn)表面開(kāi)裂或完全斷裂等現(xiàn)象。作為機(jī)械零件疲勞強(qiáng)度衡量的一項(xiàng)重要指標(biāo)，針對(duì)同一種材料尺寸系數(shù)的計(jì)算公式為：非標(biāo)準(zhǔn)尺寸試樣的疲勞極限除以標(biāo)準(zhǔn)尺寸試樣的疲勞極限，所得數(shù)值即為尺寸系數(shù)。與實(shí)際機(jī)械零件相比，標(biāo)準(zhǔn)試樣的尺寸一般較小，直徑長(zhǎng)度在6至10毫米之間。用較小的試樣測(cè)試材料疲勞強(qiáng)度有利于實(shí)驗(yàn)的開(kāi)展，但另一方面試樣小導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)所得的材料疲勞強(qiáng)度數(shù)值偏高，實(shí)際中材料的疲勞強(qiáng)度數(shù)值是達(dá)不到這一標(biāo)準(zhǔn)的。

3.表面加工的影響

機(jī)械零件承受的應(yīng)力超過(guò)負(fù)荷，疲勞強(qiáng)度降低，零件遭到破壞而出現(xiàn)開(kāi)裂紋路。裂紋一般出現(xiàn)在機(jī)械零件材料的表面，由此可知提高機(jī)械零件表面材料的質(zhì)量有利于控制機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度。當(dāng)前機(jī)械零件制造業(yè)一般使用彈簧材料制作機(jī)械零件，經(jīng)過(guò)生產(chǎn)過(guò)程中的多道軋制、拉拔、卷制工序，本身質(zhì)量不佳的彈簧材料會(huì)出現(xiàn)裂紋，由此制成的機(jī)械零件在投入使用前就存在質(zhì)量問(wèn)題。除零件制造中受到的表面損傷外，在售賣及轉(zhuǎn)運(yùn)、安裝過(guò)程中還可能在零件表面造成劃痕、斑點(diǎn)等，這些瑕疵即便不明顯，也會(huì)加劇機(jī)械零件在使用中報(bào)廢的風(fēng)險(xiǎn)。因此，機(jī)械零件材料表面的光滑度也是零件疲勞強(qiáng)度的重要衡量指標(biāo)。理論上忽略其他因素的影響，機(jī)械零件表面的粗糙程度和零件的疲勞極限成反比。

4.平均應(yīng)力的影響

機(jī)械零件投入使用后可以發(fā)現(xiàn)，不管零件設(shè)計(jì)理念是否有意使零件承受對(duì)稱載荷，在實(shí)際操作中施加到機(jī)械零件結(jié)構(gòu)上的載荷不可能實(shí)現(xiàn)完全對(duì)稱[3]。應(yīng)力幅是影響零件疲勞強(qiáng)度的最主要因素，但平均應(yīng)力對(duì)零件疲勞強(qiáng)度的作用也不容忽視，其中拉伸平均應(yīng)力會(huì)降低零件疲勞強(qiáng)度、增大零件耗損程度、縮短零件壽命，壓縮平均應(yīng)力對(duì)零件的影響則與之相反。平均應(yīng)力與零件構(gòu)件材料的疲勞極限成反比，平均應(yīng)力增大時(shí)，材料疲勞極限就會(huì)相應(yīng)變小。書面上用極限應(yīng)力曲線表現(xiàn)、記錄平均應(yīng)力和零件疲勞強(qiáng)度之間的關(guān)系。在機(jī)械零件的疲勞設(shè)計(jì)中有時(shí)需要將平均應(yīng)力換算為應(yīng)力幅，這種運(yùn)算可通過(guò)平均應(yīng)力折算系數(shù)實(shí)現(xiàn)。

5.其他因素的影響

上述四種因素是機(jī)械零件疲勞強(qiáng)度的常規(guī)影響因素。除此之外還有一些影響程度不深、出現(xiàn)頻率不高的因素，它們的作用也是值得討論的。

（1）載荷類型

拉壓、彎曲、扭轉(zhuǎn)是載荷的3種主要類型，其中拉壓載荷對(duì)零件表面承受應(yīng)力的面積改變不大，對(duì)零件疲勞強(qiáng)度的影響最小;彎曲、扭轉(zhuǎn)的載荷使零件疲勞強(qiáng)度在盈利梯度的作用下發(fā)生改變且變化較為顯著[4]。制造零件的過(guò)程中，生產(chǎn)車間為制作出形制符合標(biāo)準(zhǔn)的零件，會(huì)對(duì)零件進(jìn)行反復(fù)打磨加工，零件材料的表層和整個(gè)的零件外觀以及內(nèi)應(yīng)力都產(chǎn)生了變化，影響著零件的疲勞強(qiáng)度。

（2）加載頻率

加載頻率有3種形式：正常頻率加載、高頻率加載和低頻率加載。正常頻率在5到300赫茲，高頻率指超過(guò)300赫茲，低頻率則在0.1到5赫茲。機(jī)械零件載荷頻率一般是正常頻率，具體在5到200赫茲之間。如無(wú)特殊環(huán)境條件，加載頻率對(duì)金屬類機(jī)械材料疲勞強(qiáng)度的影響幾乎可以忽略不計(jì)。比如機(jī)械工作環(huán)境中沒(méi)有腐蝕金屬的物質(zhì)時(shí)，加載頻率的影響是微乎其微的;而當(dāng)易熔化的合金機(jī)械零件處于中溫環(huán)境中時(shí)，加載頻率對(duì)機(jī)械零件疲勞程度的影響會(huì)有比較明顯的表現(xiàn)。

（3）環(huán)境介質(zhì)

具有腐蝕性的環(huán)境介質(zhì)和交變應(yīng)力共同作用于機(jī)械零件，零件構(gòu)件材料將遭到破壞，被破壞的地方成為零件疲勞的源頭，在后續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)中無(wú)力抵抗應(yīng)力作用，引發(fā)零件的斷裂。此外，溫度也是影響零件疲勞強(qiáng)度的環(huán)境介質(zhì)。一些零件材料對(duì)環(huán)境溫度的適應(yīng)性不強(qiáng)，在溫度大幅度升高時(shí)疲勞極限也會(huì)發(fā)生很大改變，很容易出現(xiàn)疲勞事故。

二、工藝改進(jìn)的辦法

1.針對(duì)應(yīng)力集中的改進(jìn)辦法

設(shè)計(jì)機(jī)械構(gòu)件時(shí)盡可能少地使用尖角孔或槽。機(jī)械零件設(shè)計(jì)中必須使用易引發(fā)應(yīng)力集中的結(jié)構(gòu)時(shí)，也應(yīng)盡可能減小該結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中效應(yīng)。如設(shè)計(jì)中用到九十度直角時(shí)，可以選擇一個(gè)直徑比較大的軸段，在上面開(kāi)設(shè)卸載槽或者退刀槽;設(shè)計(jì)中需要軸和輪轂靜配合時(shí)，可以加長(zhǎng)軸參與靜配合部分的直徑、在輪轂上開(kāi)設(shè)減荷槽，選擇圓角過(guò)渡方式，這樣就有效地減小了輪轂和軸的剛度差距，減輕了兩者配合面邊緣處的應(yīng)力集中效應(yīng)。

2.針對(duì)表面加工的改進(jìn)辦法

使用各種工具及技術(shù)手段對(duì)機(jī)械零件原材料表層進(jìn)行加工，如強(qiáng)壓、磨削、拋丸等，盡可能使材料表層變得光滑，從而增大零件的疲勞強(qiáng)度系數(shù)，降低零件使用中的疲勞強(qiáng)度。工業(yè)中常用兩種零件材料表面加工方式：一是表面熱處理，對(duì)材料表面進(jìn)行高頻淬火等加工，使材料表面受熱，再配合使用滲碳等技術(shù)手段，增強(qiáng)零件表面對(duì)疲勞強(qiáng)度的抵抗能力。一是表面機(jī)械強(qiáng)化，通過(guò)滾壓等物理機(jī)械方法增強(qiáng)零件表面抗應(yīng)力集中的能力，降低使零件表面產(chǎn)生裂紋的拉應(yīng)力，使零件表層構(gòu)件材料強(qiáng)度大大提升。

3.針對(duì)環(huán)境介質(zhì)的改進(jìn)辦法

在抗腐蝕方面，可以通過(guò)氧化、涂料等方法在機(jī)械零件表面增加一個(gè)保護(hù)層，將腐蝕性物質(zhì)和金屬零件材料隔絕開(kāi)來(lái)，從而避免零件遭受腐蝕[5]。也可以在零件制造時(shí)采用不銹鋼或鐵以外的耐腐蝕能力強(qiáng)的金屬材料。在溫度適應(yīng)方面，可以使用如耐熱鋼材等耐熱性能好的金屬材料。

三、結(jié)束語(yǔ)

機(jī)械零件疲勞強(qiáng)度因素分析能為零件設(shè)計(jì)師提供很多有效信息，是零件疲勞可靠性設(shè)計(jì)的重要數(shù)據(jù)來(lái)源。實(shí)際生產(chǎn)中機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度受多種因素影響，本文只介紹了應(yīng)力集中、尺寸、表面加工、平均應(yīng)力等較為常見(jiàn)的幾種，并針對(duì)其中一些因素提出了幾點(diǎn)改進(jìn)零件制造工藝的辦法。零件制造業(yè)從業(yè)人員需要認(rèn)識(shí)到機(jī)械零件疲勞強(qiáng)度因素分析的重要作用，繼續(xù)對(duì)這一課題進(jìn)行更為深入、系統(tǒng)的研究。

參考文獻(xiàn)：

[1]郭良超，楊欣可，蘇計(jì)東，等.零部件疲勞強(qiáng)度分析與壽命計(jì)算[J].科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新，2017（13）：139-140.

（作者單位：中石化江鉆石油機(jī)械有限公司技術(shù)中心）