影響機械零件疲勞強度的因素分析及工藝改進

肖大軍

【摘 ?要】對機械零件疲勞強度的研究在航天、造船、原子能研發(fā)等科學技術領域都有著極其重大的意義，在提高機械零件質量、延長零件壽命等方面有極大的實用價值。本文針對影響機械零件疲勞強度的因素展開分析，對幾種主要因素進行解釋、歸類，并在此基礎上提出工藝改進的辦法。

【關鍵詞】機械零件;疲勞強度;因素分析

機械零件在使用中由于各種各樣的原因會不斷被磨損，直至最終完全失去功用。這說明零件的疲勞強度決定著零件的使用壽命。為使機械零件更持久耐用，方便零件設計師對癥下藥，對影響機械零件疲勞強度的因素展開研究是十分必要的。

一、機械零件疲勞強度的因素分析

1.應力集中的影響

應力集中，即當機械結構受力時，其截面上的臺階、開孔、樺槽等局部區(qū)域出現的應力增大現象[1]。機械零件中的脆性構件受應力集中的影響較大，可能會出現裂紋或直接斷裂。機械零件中應力集中的部位，例如尖角、鍵槽等，往往是導致機械疲勞、縮短機械壽命、引發(fā)破壞事故的源頭。比如，1953年至1954年兩年間英國海外航空公司發(fā)生3起“彗星”號客機墜毀事件，調查結果顯示飛機失事是由于客艙加壓結構設計不合理，機身鉚釘孔處應力集中過度，最終導致氣密座艙的破裂。理論上最大局部彈性應力除以平均應力所得的數值即為應力集中指數，這個指數不受載荷的影響且永遠比1大。實際中機械零件受到的有效應力與理論上計算出的應力并不吻合，理論應力算法以彈性理論為支撐，沒有考慮到應力集中對塑性機械零件材料疲勞強度的影響，不夠全面。

2.尺寸的影響

根據機械零件構件材料尺寸的大小不同，應力梯度、統(tǒng)計因素、工藝因素等都會發(fā)生不同程度的變化，對機械零件疲勞程度產生影響[2]。一般來說，尺寸越大，機械零件疲勞強度越小，大尺寸的材料所含的晶粒粗大，材料表面缺陷問題多，出現應力集中的材料面積大，使得機械零件疲勞強度大大降低，對零件造成嚴重損害，如構件材料抵抗不住應力的集中摧殘會出現表面開裂或完全斷裂等現象。作為機械零件疲勞強度衡量的一項重要指標，針對同一種材料尺寸系數的計算公式為：非標準尺寸試樣的疲勞極限除以標準尺寸試樣的疲勞極限，所得數值即為尺寸系數。與實際機械零件相比，標準試樣的尺寸一般較小，直徑長度在6至10毫米之間。用較小的試樣測試材料疲勞強度有利于實驗的開展，但另一方面試樣小導致實驗所得的材料疲勞強度數值偏高，實際中材料的疲勞強度數值是達不到這一標準的。

3.表面加工的影響

機械零件承受的應力超過負荷，疲勞強度降低，零件遭到破壞而出現開裂紋路。裂紋一般出現在機械零件材料的表面，由此可知提高機械零件表面材料的質量有利于控制機械零件的疲勞強度。當前機械零件制造業(yè)一般使用彈簧材料制作機械零件，經過生產過程中的多道軋制、拉拔、卷制工序，本身質量不佳的彈簧材料會出現裂紋，由此制成的機械零件在投入使用前就存在質量問題。除零件制造中受到的表面損傷外，在售賣及轉運、安裝過程中還可能在零件表面造成劃痕、斑點等，這些瑕疵即便不明顯，也會加劇機械零件在使用中報廢的風險。因此，機械零件材料表面的光滑度也是零件疲勞強度的重要衡量指標。理論上忽略其他因素的影響，機械零件表面的粗糙程度和零件的疲勞極限成反比。

4.平均應力的影響

機械零件投入使用后可以發(fā)現，不管零件設計理念是否有意使零件承受對稱載荷，在實際操作中施加到機械零件結構上的載荷不可能實現完全對稱[3]。應力幅是影響零件疲勞強度的最主要因素，但平均應力對零件疲勞強度的作用也不容忽視，其中拉伸平均應力會降低零件疲勞強度、增大零件耗損程度、縮短零件壽命，壓縮平均應力對零件的影響則與之相反。平均應力與零件構件材料的疲勞極限成反比，平均應力增大時，材料疲勞極限就會相應變小。書面上用極限應力曲線表現、記錄平均應力和零件疲勞強度之間的關系。在機械零件的疲勞設計中有時需要將平均應力換算為應力幅，這種運算可通過平均應力折算系數實現。

5.其他因素的影響

上述四種因素是機械零件疲勞強度的常規(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、扭轉是載荷的3種主要類型，其中拉壓載荷對零件表面承受應力的面積改變不大，對零件疲勞強度的影響最小;彎曲、扭轉的載荷使零件疲勞強度在盈利梯度的作用下發(fā)生改變且變化較為顯著[4]。制造零件的過程中，生產車間為制作出形制符合標準的零件，會對零件進行反復打磨加工，零件材料的表層和整個的零件外觀以及內應力都產生了變化，影響著零件的疲勞強度。

（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300赫茲，低頻率則在0.1到5赫茲。機械零件載荷頻率一般是正常頻率，具體在5到200赫茲之間。如無特殊環(huán)境條件，加載頻率對金屬類機械材料疲勞強度的影響幾乎可以忽略不計。比如機械工作環(huán)境中沒有腐蝕金屬的物質時，加載頻率的影響是微乎其微的;而當易熔化的合金機械零件處于中溫環(huán)境中時，加載頻率對機械零件疲勞程度的影響會有比較明顯的表現。

（3）環(huán)境介質

具有腐蝕性的環(huán)境介質和交變應力共同作用于機械零件，零件構件材料將遭到破壞，被破壞的地方成為零件疲勞的源頭，在后續(xù)運轉中無力抵抗應力作用，引發(fā)零件的斷裂。此外，溫度也是影響零件疲勞強度的環(huán)境介質。一些零件材料對環(huán)境溫度的適應性不強，在溫度大幅度升高時疲勞極限也會發(fā)生很大改變，很容易出現疲勞事故。

二、工藝改進的辦法

1.針對應力集中的改進辦法

設計機械構件時盡可能少地使用尖角孔或槽。機械零件設計中必須使用易引發(fā)應力集中的結構時，也應盡可能減小該結構的應力集中效應。如設計中用到九十度直角時，可以選擇一個直徑比較大的軸段，在上面開設卸載槽或者退刀槽;設計中需要軸和輪轂靜配合時，可以加長軸參與靜配合部分的直徑、在輪轂上開設減荷槽，選擇圓角過渡方式，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力集中效應。

2.針對表面加工的改進辦法

使用各種工具及技術手段對機械零件原材料表層進行加工，如強壓、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度系數，降低零件使用中的疲勞強度。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，對材料表面進行高頻淬火等加工，使材料表面受熱，再配合使用滲碳等技術手段，增強零件表面對疲勞強度的抵抗能力。一是表面機械強化，通過滾壓等物理機械方法增強零件表面抗應力集中的能力，降低使零件表面產生裂紋的拉應力，使零件表層構件材料強度大大提升。

3.針對環(huán)境介質的改進辦法

在抗腐蝕方面，可以通過氧化、涂料等方法在機械零件表面增加一個保護層，將腐蝕性物質和金屬零件材料隔絕開來，從而避免零件遭受腐蝕[5]。也可以在零件制造時采用不銹鋼或鐵以外的耐腐蝕能力強的金屬材料。在溫度適應方面，可以使用如耐熱鋼材等耐熱性能好的金屬材料。

三、結束語

機械零件疲勞強度因素分析能為零件設計師提供很多有效信息，是零件疲勞可靠性設計的重要數據來源。實際生產中機械零件的疲勞強度受多種因素影響，本文只介紹了應力集中、尺寸、表面加工、平均應力等較為常見的幾種，并針對其中一些因素提出了幾點改進零件制造工藝的辦法。零件制造業(yè)從業(yè)人員需要認識到機械零件疲勞強度因素分析的重要作用，繼續(xù)對這一課題進行更為深入、系統(tǒng)的研究。

參考文獻：

[1]郭良超，楊欣可，蘇計東，等.零部件疲勞強度分析與壽命計算[J].科學技術創(chuàng)新，2017（13）：139-140.

（作者單位：中石化江鉆石油機械有限公司技術中心）