提高零件疲勞強(qiáng)度的方法研究

長(zhǎng)安大學(xué)工程機(jī)械學(xué)院 張 揚(yáng) 韓 蕊 韓延波

一、提高零件疲勞強(qiáng)度的意義

機(jī)械零件和工程構(gòu)件的主要破壞形式有磨損、腐蝕和斷裂。由于磨損和腐蝕進(jìn)程很慢，一般可通過(guò)定期檢查、更換零件或修理予以解決，而斷裂的發(fā)生比較突然，往往會(huì)導(dǎo)致災(zāi)難性的設(shè)備事故和人員安全事故應(yīng)引起工程界的廣泛重視。造成斷裂事故的原因有很多，其中80%以上是由于金屬疲勞引起的，所以，提高零件的疲勞強(qiáng)度對(duì)工程界來(lái)說(shuō)尤為重要。

二、提高零件疲勞強(qiáng)度的方法

1.合理選材。在零件設(shè)計(jì)的選材中，既要注意滿足靜強(qiáng)度要求，還要具有良好的抗疲勞性能。在設(shè)計(jì)疲勞強(qiáng)度時(shí)，須從疲勞強(qiáng)度對(duì)材料的要求來(lái)考慮。一般從下面幾個(gè)方面進(jìn)行選材：在使用期內(nèi)允許達(dá)到的應(yīng)力值；材料的應(yīng)力集中敏感性；裂紋擴(kuò)展和斷裂時(shí)的臨界裂紋尺寸；材料的塑性、韌性和強(qiáng)度指標(biāo)；材料的抗腐蝕性能、抗高溫性能和抗微動(dòng)磨損疲勞性能等。

合理選材是疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要問(wèn)題。如，高強(qiáng)度合金鋼強(qiáng)度高，常用于重載零件，但高強(qiáng)度鋼的缺口敏感性往往也高，這對(duì)疲勞強(qiáng)度是不利的。同時(shí)，在疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)中，常希望零件在出現(xiàn)裂紋后不要很快發(fā)生災(zāi)難性破壞，這就要求材料具有較高的斷裂韌性。材料既要有高強(qiáng)度又要有高韌性，兩者之間有矛盾，因此，選材的過(guò)程是一個(gè)兼顧調(diào)整的過(guò)程。

2.表面冷加工強(qiáng)化。零件在彎曲或扭轉(zhuǎn)循環(huán)載荷作用下，最大應(yīng)力總是出現(xiàn)在表層的某一范圍內(nèi)，提高表層的疲勞強(qiáng)度，就能延長(zhǎng)零件的壽命。表面冷加工強(qiáng)化是提高零件疲勞強(qiáng)度的常用工藝，主要有表面噴丸強(qiáng)化、表面輥壓和錘擊兩種方法。

3.表面熱處理強(qiáng)化。為了在鋼制零件上產(chǎn)生一層硬化表層，以提高材料的疲勞強(qiáng)度，常進(jìn)行表面熱處理或熱化學(xué)處理。常用的表面熱處理強(qiáng)化方法有電感應(yīng)表面淬火、滲碳和氮化等。

4.改進(jìn)結(jié)構(gòu)。由于幾何結(jié)構(gòu)和受載等原因，大多數(shù)的機(jī)械零件在某些應(yīng)力集中嚴(yán)重的部位會(huì)出現(xiàn)峰值應(yīng)力，成為預(yù)先產(chǎn)生裂紋的地方。改進(jìn)結(jié)構(gòu)無(wú)疑是減小應(yīng)力集中的一個(gè)主要措施。

（1）在零件設(shè)計(jì)中，應(yīng)盡量避免橫截面急劇突變。在零件的橫截面尺寸和形狀有改變的地方，應(yīng)盡可能采用較大的圓角光滑過(guò)渡，也可以開(kāi)卸載溝槽或退刀槽。

（2）適當(dāng)提高構(gòu)件的表面光潔度，提高表面質(zhì)量。盡可能在零件或構(gòu)件上少開(kāi)缺口，對(duì)受拉表面盡量不開(kāi)缺口。如果必須開(kāi)缺口，應(yīng)特別注意缺口的形狀，注意減小由此產(chǎn)生的應(yīng)力集中系數(shù)。

（3）鉚釘孔連接處是產(chǎn)生應(yīng)力集中的地方，孔的不同排列所得到的峰值應(yīng)力是不同的，要尋求最合理的排列形式以減小峰值應(yīng)力。增大零件在鉚釘和螺栓連接處的厚度也可降低峰值應(yīng)力。孔的邊緣最好用倒角，或在孔的邊緣進(jìn)行擠壓，使該處產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，以提高該處的疲勞強(qiáng)度。

（4）盡量采用對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，并避免帶有偏心。在不對(duì)稱(chēng)的地方，要注意由于局部彎曲而引起的附加應(yīng)力，可以在不對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)的局部采取加強(qiáng)措施，確保不出現(xiàn)過(guò)大的附加應(yīng)力。

（5）在不影響結(jié)構(gòu)整體功能特性的情況下，零件橫向尺寸盡量要小。大尺寸零件包含的縮孔、裂紋及夾雜物更多，增加了裂紋產(chǎn)生的概率；大尺寸零件表面積大，而裂紋源一般都在表面或表面下，故形成疲勞源的概率更大；若大小構(gòu)件最大應(yīng)力均相同，在相同表層厚度內(nèi)，大尺寸零件所承受的平均應(yīng)力要高，這有利于初始裂紋的形成和擴(kuò)展，使疲勞強(qiáng)度降低。

（6）高速機(jī)械經(jīng)疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算確定了主要零件的尺寸后，必須對(duì)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析，如發(fā)現(xiàn)有振幅太大的現(xiàn)象，應(yīng)改進(jìn)結(jié)構(gòu)，將振幅降到規(guī)定的容許值以下。

（7）焊縫是應(yīng)力比較集中的部位，設(shè)計(jì)焊接件時(shí)，要合理布置焊縫。焊縫最好能對(duì)稱(chēng)布置，并盡量使其接近中性軸，這樣有利于減小焊接變形；應(yīng)避免焊縫匯交和密集，讓次要焊縫中斷，主要焊縫連續(xù)。對(duì)焊縫進(jìn)行磨削加工，是減小焊縫處應(yīng)力集中的有效措施。

（8）盡可能減小或消除零件表面可能發(fā)生的初始裂紋的尺寸。對(duì)于延長(zhǎng)零件的疲勞壽命有著比提高材料性能更為顯著的作用，在設(shè)計(jì)圖紙上應(yīng)規(guī)定出較嚴(yán)格的檢驗(yàn)方法及要求。

（9）盡量采用經(jīng)過(guò)實(shí)踐證明是疲勞壽命長(zhǎng)的零件結(jié)構(gòu)形式，特別是對(duì)于需要滿足可靠度要求的設(shè)備。這是因?yàn)樵谝磺薪Y(jié)構(gòu)的疲勞設(shè)計(jì)中，實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)是很重要的，設(shè)計(jì)工作應(yīng)有繼承性。任何與過(guò)去行之有效的設(shè)計(jì)有較大差別的設(shè)計(jì)，都需經(jīng)過(guò)試驗(yàn)的驗(yàn)證，確保設(shè)計(jì)質(zhì)量，避免重大事故的發(fā)生。

5.可靠性設(shè)計(jì)。對(duì)零件進(jìn)行可靠性設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)階段應(yīng)對(duì)薄弱零部件考慮備份有能完成相同功能的結(jié)構(gòu)；對(duì)于易損件采用有限壽命設(shè)計(jì)，用可靠性理論準(zhǔn)確估計(jì)其疲勞壽命期限，當(dāng)易損件達(dá)到使用壽命應(yīng)時(shí)及時(shí)更換；設(shè)計(jì)時(shí)盡量減少結(jié)構(gòu)件的內(nèi)應(yīng)力和應(yīng)力集中，采用物理方法消除或降低內(nèi)應(yīng)力；采用信號(hào)監(jiān)控裝置進(jìn)行適時(shí)監(jiān)控，如采用自行監(jiān)控與自行校正的閉式反饋控制系統(tǒng)，這是當(dāng)前安全設(shè)計(jì)的發(fā)展方向；采用多路傳力結(jié)構(gòu)或多重受力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，當(dāng)其中一個(gè)結(jié)構(gòu)件損壞后，其他元件仍能繼續(xù)受力，保證構(gòu)件具有繼續(xù)承載能力。

6.其他方法。針對(duì)環(huán)境因素對(duì)疲勞的影響，還要考慮零件的低溫疲勞、高溫疲勞、熱疲勞、接觸疲勞和腐蝕疲勞等方面因素，提出更多合理提高零部件疲勞強(qiáng)度的方法。

三、結(jié)論

針對(duì)零件容易出現(xiàn)疲勞破壞的情況，從零件的研究和設(shè)計(jì)角度、工藝角度以及使用角度分別提出了不同的提高零件疲勞強(qiáng)度的方法，對(duì)解決問(wèn)題具有重要意義。