如何提高機(jī)械設(shè)計(jì)疲勞極限指標(biāo)的可靠度

譚江華 (江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院揚(yáng)州分院)

一、設(shè)計(jì)過程的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)介：

在工程實(shí)際中，絕大多數(shù)零件承受變應(yīng)力作用。根據(jù)各種零件的失效統(tǒng)計(jì)數(shù)字，也說明了70%以上的零件是由于疲勞斷裂失效的。因此在機(jī)械設(shè)計(jì)過程中，疲勞斷裂抗力是評(píng)定零件的重要指標(biāo)之一。最常見的疲勞抗力指標(biāo)是光滑試樣在對(duì)稱循環(huán)彎曲應(yīng)力實(shí)驗(yàn)下得到的彎曲疲勞極限σ-1，這是在一般技術(shù)資料和手冊(cè)中都可以查到的。在其它應(yīng)力狀態(tài)下，有扭轉(zhuǎn)疲勞極限τ-1和拉壓疲勞極限σ-1p等。當(dāng)零件承受非對(duì)稱循環(huán)應(yīng)力時(shí)，則根據(jù)對(duì)稱循環(huán)應(yīng)力下的疲勞極限σ-1、脈動(dòng)循環(huán)應(yīng)力下的疲勞極限σ0和靜應(yīng)力下的極限應(yīng)力參數(shù)σB或σS，繪制材料的極限應(yīng)力圖。根據(jù)循環(huán)特性r，從極限應(yīng)力圖中獲得非對(duì)稱循環(huán)應(yīng)力下的疲勞極限σr。設(shè)計(jì)過程中，根據(jù)零件與試樣的差異，考慮應(yīng)力集中、表面加工方法和尺寸因素的影響，引入相應(yīng)的系數(shù)對(duì)σ-1進(jìn)行修正。根據(jù)零件的服役要求不同，可以進(jìn)行有限壽命設(shè)計(jì)和無限壽命設(shè)計(jì)。

二、影響疲勞強(qiáng)度指標(biāo)的微觀因素：

經(jīng)研究表明，疲勞破壞與靜力破壞過程在滑移階段有相同之處。重大不同之處在于在靜載荷作用下，塑性變形及強(qiáng)化是在材料比較大體積內(nèi)分布的，而在交變載荷作用下，疲勞裂紋集中發(fā)生在個(gè)別晶粒。如果試件外部有缺口，表面粗糙，或內(nèi)部有各種缺陷（氣孔，裂紋，夾渣，縮孔等），此處必定引起應(yīng)力高峰，成為疲勞裂紋的發(fā)源地。由于疲勞破壞的局限性，一個(gè)零件的疲勞抗力取決于零件最弱部分的強(qiáng)度或宏觀、微觀缺陷引起的應(yīng)力集中。 因此，材料內(nèi)部微觀組織缺陷對(duì)疲勞破壞的影響已得到材料界的共識(shí)。

基于此點(diǎn)，疲勞極限是一個(gè)極易受外界條件和內(nèi)部組織影響的參數(shù)。歸納起來，影響疲勞抗力的因素有四大類：

（一）零件本身外形因素：幾何形狀、尺寸和表面狀態(tài)等；

（二）制造工藝因素：鑄、鍛、焊、切削加工、熱處理、表面處理等；

（三）使用條件：應(yīng)力類型及大小、頻率范圍、環(huán)境條件、使用介質(zhì)等；

（四）材料本質(zhì)：化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)、晶粒大小、纖維方向、夾雜物、偏析等。

在機(jī)械設(shè)計(jì)中，對(duì)于前三種影響因素已做了相應(yīng)考慮，而材料本質(zhì)方面的影響考慮甚少。但實(shí)際零件在服役過程中由于材料內(nèi)部的各種微觀缺陷（比如淬火裂紋、焊接裂紋、偏析、熔渣、各種鑄造缺陷等）造成突然疲勞斷裂的事故屢見不鮮。但由于材料內(nèi)部組織的復(fù)雜多變，不易控制，對(duì)疲勞抗力的影響無規(guī)律可循，給我們的設(shè)計(jì)研究帶來很大的不便。尋求一種即有較廣的適應(yīng)性，又能充分考慮設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)環(huán)境，而且便于操作的設(shè)計(jì)方法，非常必要。

筆者認(rèn)為：在測(cè)定疲勞極限過程中，對(duì)于疲勞試驗(yàn)原始數(shù)據(jù)，應(yīng)盡可能詳盡地提供給設(shè)計(jì)者，比如疲勞試樣的毛坯類型、終加工方法、形狀尺寸、取樣部位、晶粒大小、組織狀態(tài)、材質(zhì)質(zhì)量等。對(duì)于小鍛件或壓軋材料，應(yīng)了解試樣與壓軋方向是平行還是垂直（對(duì)于拉壓疲勞極限測(cè)定尤為重要）。對(duì)于大鍛件，應(yīng)知道取樣部位是鋼錠的上端還是下端。對(duì)于鑄件，應(yīng)了解是單獨(dú)鑄造還是取自鑄件，若是后者，應(yīng)知道取自鑄件的何種部位。因?yàn)閺蔫T件中不同部位切割的試樣，其機(jī)械性能懸殊很大。至于切割試樣的方法，使用氣割或電弧切割，都不可避免的使試樣再次加熱，可能會(huì)影響到試樣的微觀組織乃至性能。而冷切割時(shí)，是否避開了過度冷卻變形而導(dǎo)致的脆性轉(zhuǎn)變的溫度范圍。進(jìn)行規(guī)定的熱處理之后的組織狀態(tài)如何等等。設(shè)計(jì)者只有充分了解了疲勞試樣的制備過程和微觀組織情況，才能根據(jù)所設(shè)計(jì)零件的服役條件、重要程度、零件的組織情況等，對(duì)手冊(cè)中查得的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合恰當(dāng)?shù)奶幚?，使得設(shè)計(jì)過程與疲勞試驗(yàn)過程更貼切地吻合，減少設(shè)計(jì)過程的盲目性，提高疲勞設(shè)計(jì)的可信度。

三、現(xiàn)有設(shè)計(jì)資料中疲勞強(qiáng)度指標(biāo)的可靠性：

如前所述，疲勞實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)具有極大的分散性，在相同應(yīng)力下其應(yīng)力循環(huán)周次常常在幾倍甚至十倍、百倍的幅度內(nèi)變化。從零件的使用壽命也可以看出，據(jù)統(tǒng)計(jì)，同一批生產(chǎn)的滾動(dòng)軸承使用壽命最高與最低的比值竟高達(dá)8～40。因此，必須采取統(tǒng)計(jì)處理方法來獲取數(shù)據(jù)，才能得到接近可靠的疲勞強(qiáng)度指標(biāo)。徐灝主編的《現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)師手冊(cè)》一書中已經(jīng)提供了疲勞強(qiáng)度指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)?，F(xiàn)在迅速發(fā)展起來的可靠性設(shè)計(jì)方法也充分考慮到疲勞設(shè)計(jì)過程的統(tǒng)計(jì)特性。但可靠性設(shè)計(jì)方法現(xiàn)在并沒有廣泛的應(yīng)用于機(jī)械設(shè)計(jì)中，大多數(shù)設(shè)計(jì)手冊(cè)中的疲勞強(qiáng)度指標(biāo)提供的仍然只是疲勞試樣的牌號(hào)、熱處理狀態(tài)和單一實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，不免讓人懷疑其數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。而材料性能指標(biāo)的準(zhǔn)確性不足，將增大設(shè)計(jì)過程中的盲目性，為日后的事故埋下隱患。

四、結(jié)論：

由于疲勞破壞的突然性、高度局限性及對(duì)各種內(nèi)在和外在因素影響的敏感性，疲勞抗力指標(biāo)不僅極易受各種因素影響，疲勞實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)非常分散，而且一旦發(fā)生疲勞失效，常常造成災(zāi)難性事故。在設(shè)計(jì)過程中，僅靠目前大多數(shù)手冊(cè)中材質(zhì)不明、試驗(yàn)條件不清、單一的疲勞強(qiáng)度指標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)，使設(shè)計(jì)結(jié)果具有很大的盲目性和偶然性。提高疲勞抗力指標(biāo)的準(zhǔn)確性和可靠性，是正確進(jìn)行疲勞設(shè)計(jì)的前提。由于疲勞抗力指標(biāo)的上述特點(diǎn)，數(shù)據(jù)全面更新工作，需要投入大量的人力物力，做大量的試驗(yàn)，決非個(gè)人和單位所能承受得了。建議國家科研機(jī)構(gòu)花大力氣，盡快組織力量更新資料和手冊(cè)中疲勞極限指標(biāo)。疲勞強(qiáng)度指標(biāo)不僅應(yīng)列出參與試驗(yàn)的數(shù)量和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，而且應(yīng)盡可能詳盡地提供試樣的毛坯類型、終加工方法、形狀尺寸、取樣部位、取樣手段、晶粒大小、組織狀態(tài)、材質(zhì)質(zhì)量等，設(shè)計(jì)方法盡快采用可靠性設(shè)計(jì)，才能增加疲勞極限指標(biāo)的可靠性，提高疲勞設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性。