如何提高機械設計疲勞極限指標的可靠度

譚江華 (江蘇省特種設備安全監督檢驗研究院揚州分院)

一、設計過程的傳統設計方法簡介：

在工程實際中，絕大多數零件承受變應力作用。根據各種零件的失效統計數字，也說明了70%以上的零件是由于疲勞斷裂失效的。因此在機械設計過程中，疲勞斷裂抗力是評定零件的重要指標之一。最常見的疲勞抗力指標是光滑試樣在對稱循環彎曲應力實驗下得到的彎曲疲勞極限σ-1，這是在一般技術資料和手冊中都可以查到的。在其它應力狀態下，有扭轉疲勞極限τ-1和拉壓疲勞極限σ-1p等。當零件承受非對稱循環應力時，則根據對稱循環應力下的疲勞極限σ-1、脈動循環應力下的疲勞極限σ0和靜應力下的極限應力參數σB或σS，繪制材料的極限應力圖。根據循環特性r，從極限應力圖中獲得非對稱循環應力下的疲勞極限σr。設計過程中，根據零件與試樣的差異，考慮應力集中、表面加工方法和尺寸因素的影響，引入相應的系數對σ-1進行修正。根據零件的服役要求不同，可以進行有限壽命設計和無限壽命設計。

二、影響疲勞強度指標的微觀因素：

經研究表明，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，塑性變形及強化是在材料比較大體積內分布的，而在交變載荷作用下，疲勞裂紋集中發生在個別晶粒。如果試件外部有缺口，表面粗糙，或內部有各種缺陷（氣孔，裂紋，夾渣，縮孔等），此處必定引起應力高峰，成為疲勞裂紋的發源地。由于疲勞破壞的局限性，一個零件的疲勞抗力取決于零件最弱部分的強度或宏觀、微觀缺陷引起的應力集中。 因此，材料內部微觀組織缺陷對疲勞破壞的影響已得到材料界的共識。

基于此點，疲勞極限是一個極易受外界條件和內部組織影響的參數。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：應力類型及大小、頻率范圍、環境條件、使用介質等；

（四）材料本質：化學成分、組織結構、晶粒大小、纖維方向、夾雜物、偏析等。

在機械設計中，對于前三種影響因素已做了相應考慮，而材料本質方面的影響考慮甚少。但實際零件在服役過程中由于材料內部的各種微觀缺陷（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。但由于材料內部組織的復雜多變，不易控制，對疲勞抗力的影響無規律可循，給我們的設計研究帶來很大的不便。尋求一種即有較廣的適應性，又能充分考慮設計者的設計環境，而且便于操作的設計方法，非常必要。

筆者認為：在測定疲勞極限過程中，對于疲勞試驗原始數據，應盡可能詳盡地提供給設計者，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、材質質量等。對于小鍛件或壓軋材料，應了解試樣與壓軋方向是平行還是垂直（對于拉壓疲勞極限測定尤為重要）。對于大鍛件，應知道取樣部位是鋼錠的上端還是下端。對于鑄件，應了解是單獨鑄造還是取自鑄件，若是后者，應知道取自鑄件的何種部位。因為從鑄件中不同部位切割的試樣，其機械性能懸殊很大。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，可能會影響到試樣的微觀組織乃至性能。而冷切割時，是否避開了過度冷卻變形而導致的脆性轉變的溫度范圍。進行規定的熱處理之后的組織狀態如何等等。設計者只有充分了解了疲勞試樣的制備過程和微觀組織情況，才能根據所設計零件的服役條件、重要程度、零件的組織情況等，對手冊中查得的數據進行綜合恰當的處理，使得設計過程與疲勞試驗過程更貼切地吻合，減少設計過程的盲目性，提高疲勞設計的可信度。

三、現有設計資料中疲勞強度指標的可靠性：

如前所述，疲勞實驗數據具有極大的分散性，在相同應力下其應力循環周次常常在幾倍甚至十倍、百倍的幅度內變化。從零件的使用壽命也可以看出，據統計，同一批生產的滾動軸承使用壽命最高與最低的比值竟高達8～40。因此，必須采取統計處理方法來獲取數據，才能得到接近可靠的疲勞強度指標。徐灝主編的《現代機械設計師手冊》一書中已經提供了疲勞強度指標的統計數據。現在迅速發展起來的可靠性設計方法也充分考慮到疲勞設計過程的統計特性。但可靠性設計方法現在并沒有廣泛的應用于機械設計中，大多數設計手冊中的疲勞強度指標提供的仍然只是疲勞試樣的牌號、熱處理狀態和單一實驗數據，不免讓人懷疑其數據的準確性和可靠性。而材料性能指標的準確性不足，將增大設計過程中的盲目性，為日后的事故埋下隱患。

四、結論：

由于疲勞破壞的突然性、高度局限性及對各種內在和外在因素影響的敏感性，疲勞抗力指標不僅極易受各種因素影響，疲勞實驗數據非常分散，而且一旦發生疲勞失效，常常造成災難性事故。在設計過程中，僅靠目前大多數手冊中材質不明、試驗條件不清、單一的疲勞強度指標進行設計，使設計結果具有很大的盲目性和偶然性。提高疲勞抗力指標的準確性和可靠性，是正確進行疲勞設計的前提。由于疲勞抗力指標的上述特點，數據全面更新工作，需要投入大量的人力物力，做大量的試驗，決非個人和單位所能承受得了。建議國家科研機構花大力氣，盡快組織力量更新資料和手冊中疲勞極限指標。疲勞強度指標不僅應列出參與試驗的數量和統計數據，而且應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、材質質量等，設計方法盡快采用可靠性設計，才能增加疲勞極限指標的可靠性，提高疲勞設計的準確性。