提高零件疲勞強度的方法研究

長安大學工程機械學院 張 揚 韓 蕊 韓延波

一、提高零件疲勞強度的意義

機械零件和工程構件的主要破壞形式有磨損、腐蝕和斷裂。由于磨損和腐蝕進程很慢，一般可通過定期檢查、更換零件或修理予以解決，而斷裂的發生比較突然，往往會導致災難性的設備事故和人員安全事故應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，提高零件的疲勞強度對工程界來說尤為重要。

二、提高零件疲勞強度的方法

1.合理選材。在零件設計的選材中，既要注意滿足靜強度要求，還要具有良好的抗疲勞性能。在設計疲勞強度時，須從疲勞強度對材料的要求來考慮。一般從下面幾個方面進行選材：在使用期內允許達到的應力值；材料的應力集中敏感性；裂紋擴展和斷裂時的臨界裂紋尺寸；材料的塑性、韌性和強度指標；材料的抗腐蝕性能、抗高溫性能和抗微動磨損疲勞性能等。

合理選材是疲勞強度設計中的一個重要問題。如，高強度合金鋼強度高，常用于重載零件，但高強度鋼的缺口敏感性往往也高，這對疲勞強度是不利的。同時，在疲勞強度設計中，常希望零件在出現裂紋后不要很快發生災難性破壞，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整的過程。

2.表面冷加工強化。零件在彎曲或扭轉循環載荷作用下，最大應力總是出現在表層的某一范圍內，提高表層的疲勞強度，就能延長零件的壽命。表面冷加工強化是提高零件疲勞強度的常用工藝，主要有表面噴丸強化、表面輥壓和錘擊兩種方法。

3.表面熱處理強化。為了在鋼制零件上產生一層硬化表層，以提高材料的疲勞強度，常進行表面熱處理或熱化學處理。常用的表面熱處理強化方法有電感應表面淬火、滲碳和氮化等。

4.改進結構。由于幾何結構和受載等原因，大多數的機械零件在某些應力集中嚴重的部位會出現峰值應力，成為預先產生裂紋的地方。改進結構無疑是減小應力集中的一個主要措施。

（1）在零件設計中，應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）適當提高構件的表面光潔度，提高表面質量。盡可能在零件或構件上少開缺口，對受拉表面盡量不開缺口。如果必須開缺口，應特別注意缺口的形狀，注意減小由此產生的應力集中系數。

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

（4）盡量采用對稱結構，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力，可以在不對稱結構的局部采取加強措施，確保不出現過大的附加應力。

（5）在不影響結構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；若大小構件最大應力均相同，在相同表層厚度內，大尺寸零件所承受的平均應力要高，這有利于初始裂紋的形成和擴展，使疲勞強度降低。

（6）高速機械經疲勞強度設計計算確定了主要零件的尺寸后，必須對運動系統進行動態分析，如發現有振幅太大的現象，應改進結構，將振幅降到規定的容許值以下。

（7）焊縫是應力比較集中的部位，設計焊接件時，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；應避免焊縫匯交和密集，讓次要焊縫中斷，主要焊縫連續。對焊縫進行磨削加工，是減小焊縫處應力集中的有效措施。

（8）盡可能減小或消除零件表面可能發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，在設計圖紙上應規定出較嚴格的檢驗方法及要求。

（9）盡量采用經過實踐證明是疲勞壽命長的零件結構形式，特別是對于需要滿足可靠度要求的設備。這是因為在一切結構的疲勞設計中，實踐經驗是很重要的，設計工作應有繼承性。任何與過去行之有效的設計有較大差別的設計，都需經過試驗的驗證，確保設計質量，避免重大事故的發生。

5.可靠性設計。對零件進行可靠性設計，在設計階段應對薄弱零部件考慮備份有能完成相同功能的結構；對于易損件采用有限壽命設計，用可靠性理論準確估計其疲勞壽命期限，當易損件達到使用壽命應時及時更換；設計時盡量減少結構件的內應力和應力集中，采用物理方法消除或降低內應力；采用信號監控裝置進行適時監控，如采用自行監控與自行校正的閉式反饋控制系統，這是當前安全設計的發展方向；采用多路傳力結構或多重受力結構設計，當其中一個結構件損壞后，其他元件仍能繼續受力，保證構件具有繼續承載能力。

6.其他方法。針對環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度的方法。

三、結論

針對零件容易出現疲勞破壞的情況，從零件的研究和設計角度、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度的方法，對解決問題具有重要意義。