農(nóng)業(yè)機械零件斷裂失效主要類型與優(yōu)化策略研究

聶林紅

（西安交通工程學院，陜西 西安 710300）

零件是農(nóng)業(yè)機械穩(wěn)定安全運行的重要前提，農(nóng)業(yè)機械故障多是由零件問題引起的[1]。斷裂表示金屬部件因為外界因素的影響，出現(xiàn)局部裂開或者完全斷開的現(xiàn)象[2]。斷裂是機械部件失效的主要類型之一，當機械零部件出現(xiàn)斷裂以后，一方面會導致零部件自身完全失效，發(fā)揮不了應有的作用，另一方面也容易引發(fā)機械安全事故，引發(fā)較大的經(jīng)濟損失與人員傷亡。為此，必須采取有效的措施與手段避免零部件出現(xiàn)斷裂失效，筆者重點分析了農(nóng)業(yè)機械零部件斷裂失效的主要類型，提出了相應的優(yōu)化策略，確保農(nóng)業(yè)機械能夠安全可靠運行，為推動我國農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)機械化發(fā)展提供幫助。

1 斷裂失效的主要類型

1.1 脆性斷裂

脆性斷裂是農(nóng)業(yè)機械零部件斷裂失效的重要方式之一，出現(xiàn)脆性斷裂，主要是由于零件內(nèi)部應力較為集中，受到外力作用時，容易導致零部件出現(xiàn)形變或開裂，繼而引發(fā)脆性斷裂[3]。脆性斷裂是一種沒有出現(xiàn)塑性變形而直接發(fā)生斷裂的失效形式，突發(fā)性強，預防難度大，是一個危險性很高的零件失效類型[4]。具體來說，脆性斷裂主要是由以下兩方面引起的。首先，零部件材料方面。在農(nóng)業(yè)機械零件加工過程中，零部件自身會因為相關因素的影響而產(chǎn)生變形與尺寸改變，比如零部件熱處理、化學改性等，導致零部件材料中的殘余物或結晶結構出現(xiàn)改變，從而影響到零部件的晶體組織。此外，當機械零部件外表溫度出現(xiàn)較大變化時，也容易導致脆性斷裂現(xiàn)象的產(chǎn)生。其次，工藝方面。在農(nóng)業(yè)機械零件加工過程中，自身組織架構會產(chǎn)生相應的改變，進而引發(fā)斷裂。當影響因素大于零件材料自身臨界值時，便容易導致脆性斷裂；導致塑性變形失效的重要原因是晶界分布較混亂、零件出現(xiàn)極小的裂紋等，在農(nóng)業(yè)機械零件斷裂過程中，因為晶體結構發(fā)生改變，零件材料內(nèi)部出現(xiàn)明顯的差距，進而引發(fā)塑性變形、脆性斷裂等。

1.2 疲勞斷裂

當循環(huán)載荷或交變應力持續(xù)作用在機械零件上，便容易導致機械零部件出現(xiàn)疲勞斷裂。疲勞斷裂主要是局部應力集中區(qū)域或綜合力學性能較弱部位先產(chǎn)生裂紋，隨著裂紋的不斷擴展，進而引發(fā)零部件的完全斷裂。農(nóng)業(yè)機械零件絕大多數(shù)的斷裂均屬于疲勞斷裂[5]。

1.2.1 疲勞斷裂過程

通常情況下，疲勞斷裂主要包含了三個時期，分別是萌芽期、擴散期以及質(zhì)變期[6]。1）萌芽期。當機械零部件持續(xù)受到交變應力，零件表層會慢慢產(chǎn)生微小的凹槽與凸峰，如圖1 所示。在凸峰的底部會產(chǎn)生較大的局部應力，極易產(chǎn)生裂紋，這是疲勞斷裂產(chǎn)生的重要前奏。2）擴散期。農(nóng)業(yè)機械零部件表面出現(xiàn)擠出峰之后，隨著交變應力的持續(xù)作用，會導致裂紋進一步擴大，進入到擴散期。按照零件表面裂紋擴散方向的不同，又可以將疲勞斷裂擴散期分為兩類，分別是切向擴散期與法向擴散期。首先會產(chǎn)生切向擴散，零件受到循環(huán)載荷的作用，其裂紋順著最大應力的切向拓展到材料內(nèi)部，之后會進入到法向擴散期，裂紋開始順著正應力垂直的方式進行延伸。3）質(zhì)變期。機械零部件裂紋在積累到一定量之后，材料剩余連接截面力學性能低于實際載荷力時，裂紋會在極短時間內(nèi)快速擴散，導致機械零件出現(xiàn)突然斷裂問題。

圖1 滑移帶上出現(xiàn)的缺口峰

依照零件產(chǎn)生疲勞斷裂前載荷循環(huán)次數(shù)，可以將其分成兩類，分別是高周期與低周期疲勞[7]。首先，低周期疲勞表示的是零部件疲勞斷裂前所經(jīng)歷的循環(huán)載荷次數(shù)在102~105之間，該情況下作用在機械零件表面的循環(huán)載荷較大，通常等同于或大于材料的屈服應力。所以，隨著循環(huán)載荷次數(shù)的不斷增加，會導致材料的塑性變形越來越大，使得機械零件的壽命較短。其次，當零部件疲勞斷裂前所經(jīng)歷的循環(huán)載荷次數(shù)大于105，這種情況即是高周期疲勞，這時作用在機械零部件表面的載荷要明顯小于材料屈服應力，有些還小于彈性極限情況下產(chǎn)生的疲勞。目前出現(xiàn)的絕大部分疲勞斷裂均是屬于這一類，例如彈簧類零件、軸類零件等的失效，都是由高周期疲勞引發(fā)的失效。

1.2.2 疲勞斷裂斷面

一般來說，機械零件在出現(xiàn)疲勞斷裂時，可將斷裂面劃分為三個特征區(qū)，分別是疲勞區(qū)、裂紋蔓延區(qū)以及瞬時斷裂區(qū)，具體如圖2所示。

圖2 零件疲勞斷裂端面特征

1）疲勞區(qū)。該區(qū)域是疲勞斷裂最早出現(xiàn)的地方，通常在零件表面強度較弱或者應力比較集中的地方。農(nóng)業(yè)機械零件加工過程中，像軸的臺階部位、刀具劃痕區(qū)域等均容易發(fā)展成疲勞區(qū)。疲勞區(qū)數(shù)量和載荷大小緊密相連，同時當施加的載荷變大時，疲勞區(qū)數(shù)量也會逐漸變多，所以，一個零部件經(jīng)常會存在多個疲勞區(qū)。

2）裂紋蔓延區(qū)。該特征區(qū)是疲勞斷裂表面非常關鍵的一個區(qū)，通常表現(xiàn)為波紋形或者沙灘形。當裂紋蔓延區(qū)的表面粗糙度越低，說明機械零部件斷裂前受到的循環(huán)應力次數(shù)越多，在瞬斷區(qū)旁邊的貝殼線就更近，所能承受的載荷則比較小。當裂紋蔓延區(qū)的表面粗糙度越高，這時裂紋會在短時間內(nèi)快速蔓延，所能承受的載荷值也就越大。

3）瞬斷區(qū)。機械零部件在發(fā)生疲勞斷裂以后，隨著裂紋的不斷蔓延，在達到特定程度以后，瞬間斷裂產(chǎn)生的區(qū)域即為瞬斷區(qū)。從表面來看，瞬斷區(qū)的斷裂面特征同靜載試驗中的放射區(qū)和剪切唇較為相似。一般來說，當零件表面承受的載荷值大小不同時，瞬斷區(qū)的大小和位置也會存在明顯差異，當載荷較小時，瞬斷區(qū)一般距離界面中心位置較遠，斷裂面的面積比較小，反之則離中心位置較近，斷裂面面積較大。

2 優(yōu)化策略

2.1 改進零部件結構與形狀，選取合適的零件材質(zhì)

農(nóng)業(yè)機械零部件之所以會產(chǎn)生斷裂失效，很大一部分原因是零件中的某部分應力較為集中，而零部件外部形狀以及材料內(nèi)部的不連續(xù)等均容易引發(fā)應力集中[8]。首先，零件外部形狀不連續(xù)一般叫做缺口，主要表現(xiàn)為鍵槽、溝槽、倒角、螺紋、光孔與表面劃痕等[9]。材料內(nèi)部的不連續(xù)也就是人們常說的材料缺陷，主要表現(xiàn)為氣孔、疏松、夾渣以及焊接不良等。當零部件存在應力集中區(qū)域時，受到較大沖擊力或者循環(huán)往復力時，很容易造成應力集中區(qū)域出現(xiàn)裂紋，隨著時間的持續(xù)，在裂紋擴散到一定程度后發(fā)生斷裂。所以，在進行農(nóng)業(yè)機械零部件設計過程中，要最大程度避免出現(xiàn)應力集中地方，結合零部件的實際使用情況，如載荷類型、載荷大小、環(huán)境溫度以及介質(zhì)等，綜合多方面影響因素，選取適宜的零部件材質(zhì)，盡可能地防止零件出現(xiàn)疲勞斷裂。

2.2 優(yōu)化零件加工工藝，選取合適的加工方法

農(nóng)業(yè)機械零部件在進行切削加工、焊接以及熱處理等工序時，會產(chǎn)生塑性變形、金相組織變化等，這些均會造成零件內(nèi)部存在一定的殘余應力[10]。根據(jù)應力形式的不同，可以將殘余應力分成兩類，分別是殘余拉應力與壓應力。其中，殘余壓應力屬于有益應力，能夠有效提高零部件的抗疲勞性能，然而殘余拉應力會影響到零件工作的穩(wěn)定性，降低零部件的疲勞壽命。所以，應當要選取合適的零件加工工藝與加工方法，引入滲碳、拋丸以及滾壓等加工手段，使得在零部件外表產(chǎn)生一定的壓應力，使之和零件內(nèi)部的拉應力相中和，進而消除零部件內(nèi)部的殘余拉應力，提高零部件的綜合力學性能。

2.3 加強對零件的維護與修復

在農(nóng)業(yè)機械零部件的日常使用過程中，還應當加強對其的維護與修復，及時排查潛在的問題，確保機械零件能夠安全穩(wěn)定工作。機械零件的磨損、變形等會造成農(nóng)業(yè)機械運行不穩(wěn)定或動作異常等，為了盡可能地避免因為零件失效引發(fā)安全事故，需要加強對零件的維護。另外，當零件磨損或者性能降低時，還應當及時使用相應的材料進行修復。首先，去除掉零件表面已經(jīng)出現(xiàn)損傷或者變形的區(qū)域；其次，清理機械零件中產(chǎn)生的新裂紋，確保裂紋位置可以被精準識別出來，并采取有效的手段完成對零件的修復。

2.4 正確安裝并使用機械零件

在實際進行農(nóng)業(yè)機械零部件安裝時，要避免出現(xiàn)拉伸、擠壓以及磕碰等，這是由于任何傷痕都有可能發(fā)展為斷裂源。農(nóng)業(yè)機械要嚴格按照規(guī)定要求運行，避免超載，當零件表面出現(xiàn)裂紋時，需要及時進行修復或者更換新的零部件。依照實際情況采取與之相對應的完善手段，比如，通過鉆孔去除裂紋，在合適位置加焊筋板避免裂紋擴大；當緊固件附近出現(xiàn)裂紋時，可使用“擴孔方式”進行處理，將孔附近的裂紋都加工去除掉，之后使用更大規(guī)格的緊固件進行固定，進而解決零件裂紋問題。

3 結語

綜上所述，脆性斷裂與疲勞斷裂是農(nóng)業(yè)機械零件斷裂失效的主要類型，直接影響到農(nóng)業(yè)機械運行的穩(wěn)定性與安全性。在設計與使用零件時，需要結合零件的實際使用工況，通過優(yōu)化零件設計結構、加工工藝以及使用方式等，最大程度避免零件出現(xiàn)斷裂失效，確保農(nóng)業(yè)機械安全穩(wěn)定運行。