長安大學(xué)工程機(jī)械學(xué)院 張 揚(yáng) 韓 蕊 韓延波
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)度對工程界來說尤為重要。
1.合理選材。在零件設(shè)計的選材中,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)計疲勞強(qiáng)度時,須從疲勞強(qiáng)度對材料的要求來考慮。一般從下面幾個方面進(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磨損疲勞性能等。
合理選材是疲勞強(qiáng)度設(shè)計中的一個重要問題。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,這對疲勞強(qiáng)度是不利的。同時,在疲勞強(qiáng)度設(shè)計中,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,選材的過程是一個兼顧調(diào)整的過程。
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)無疑是減小應(yīng)力集中的一個主要措施。
(1)在零件設(shè)計中,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渡,也可以開卸載溝槽或退刀槽。
(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)件上少開缺口,對受拉表面盡量不開缺口。如果必須開缺口,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??椎倪吘壸詈糜玫菇?,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)盡量采用對稱結(jié)構(gòu),并避免帶有偏心。在不對稱的地方,要注意由于局部彎曲而引起的附加應(yīng)力,可以在不對稱結(jié)構(gòu)的局部采取加強(qiáng)措施,確保不出現(xiàn)過大的附加應(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)計計算確定了主要零件的尺寸后,必須對運動系統(tǒng)進(jìn)行動態(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)計焊接件時,要合理布置焊縫。焊縫最好能對稱布置,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。對于延長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)計圖紙上應(yīng)規(guī)定出較嚴(yán)格的檢驗方法及要求。
(9)盡量采用經(jīng)過實踐證明是疲勞壽命長的零件結(jié)構(gòu)形式,特別是對于需要滿足可靠度要求的設(shè)備。這是因為在一切結(jié)構(gòu)的疲勞設(shè)計中,實踐經(jīng)驗是很重要的,設(shè)計工作應(yīng)有繼承性。任何與過去行之有效的設(shè)計有較大差別的設(shè)計,都需經(jīng)過試驗的驗證,確保設(shè)計質(zhì)量,避免重大事故的發(fā)生。
5.可靠性設(shè)計。對零件進(jìn)行可靠性設(shè)計,在設(shè)計階段應(yīng)對薄弱零部件考慮備份有能完成相同功能的結(jié)構(gòu);對于易損件采用有限壽命設(shè)計,用可靠性理論準(zhǔn)確估計其疲勞壽命期限,當(dāng)易損件達(dá)到使用壽命應(yīng)時及時更換;設(shè)計時盡量減少結(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;采用信號監(jiān)控裝置進(jìn)行適時監(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,當(dāng)其中一個結(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。針對環(huán)境因素對疲勞的影響,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。
針對零件容易出現(xiàn)疲勞破壞的情況,從零件的研究和設(shè)計角度、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,對解決問題具有重要意義。