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提高零件疲劳强度的方法
【摘要】 机械零件的抗疲劳破坏是造成机械运行故障的主要原因,因此,提高 机械零件的疲劳强度是机械结构设计中不容忽视的问题。针对影响零件疲劳强 度的因素并结合实际,对在设计过程中如何提高零件的疲劳强度的方法及措施 做简要的叙述和相关分析,且对工程中常见的问题,提出相应的控制方法和解 决措施。
【关键词】疲劳强度 ;应力集中
1 概述
在 19 世纪初,随着蒸汽机车的发明和铁路建设的迅速发展,机车车辆的疲 劳破坏现象时有发生,使工程技术人员认识到交变应力对金属强度的不良影响。 很多结构物都承受交变应力的作用,例如飞机,火车,船舶等交通运输工具由 于大气紊流,波浪及道路不平引起的颠簸都承受交变应力,即使是房屋,桥梁 等看来似乎完全不动的结构物也同样承受变应力作用,因为桥梁上驶过车辆时, 房屋中的机器设备运转和振动时,甚至刮风等均会引起交变应力。所以交变应 力对于结构物来说是经常遇到的。
绝大多数的机械零件是在循环变应力作用下工作的,如弹簧,齿轮,轴等 都是在循环载荷下工作的,承受交变应力或重复应力,如在工作过程中工作应 力低于屈服强度时就会发生疲劳破坏,造成重大的经济损失。为避免这些现象 的发生,提高零件的疲劳强度,在设计阶段应考虑它的使用环境和受力状态, 材料性能,加工工艺等因素。我将基于材料的疲劳特性,对提高零件疲劳强度 的方法及措施进行简要的叙述。
2 零件的疲劳特性
材料的疲劳特性可用最大应力,应力循环次数,应力比(循环特性)来表
述。在一定的应力比下,当循环次数低于 10
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时,属静应力强度,当循环次数
在 10 ~ 10 时属于低周疲劳,然而一般零件承受变应力时,其应力循环次数通
常大于 10 ,属高周疲劳,此阶段,如果作用的变应力小于持久疲劳极限,无论
应力变化多少次,材料都不会破坏。由于零件受加工质量及强化因素等影响, 使得零件的疲劳极限小于材料的疲劳极限,通常等于材料疲劳极限与其疲劳极 限的综合影响系数的比值。故可通过改善零件受力状况,将作用在零件上的变 应力降低到持久疲劳极限以下,对延长材料的使用寿命具有重要的意义。 3 提高零件疲劳强度的方法
影响零件的疲劳强度的因素很多,比如材料的最大应力,工作环境,应力 状态,加工质量与加工工艺等。为提高零件的疲劳强度,经查阅资料得出以下 方法。
(1)材料的选择
材料的选择原则是:在满足静强度要求的同时,还应具备良好的抗疲劳性 能。过去静强度选材的一个基本原则是要求强度高,但在疲劳设计中,需从疲 劳强度的观点选材:
在达到使用期限的应力值时,材料的疲劳极限必须满足要求。
材料的切口敏感性和擦伤疲劳敏感性小,在交变载荷作用处要特别注意。 c 裂纹扩展速率慢,许用临界裂纹大些,及要求零件的断裂韧性值大,使零件 或结构在使用中出现裂纹后,不会很快导致灾难性的破坏。
注意轧材和锻材等的纤维方向和主要受力方向应一致,因为在垂直纤维方向 的承载强度会下降百分之 20 左右。
注意材料的抗腐蚀性能,同时尽量减小材料的内部缺陷,对重要零件应经探 伤检验。
合理选择材料的热处理状态,他对疲劳特性的影响不能小看。
(2)降荷,降温设计
在实践应用中,人们发现,在较低的交变应力作用下,零件不易发生疲劳 裂纹,即使产生裂纹,其扩展速率也较慢。但究竟把应力水平控制在怎样的范 围内比较合适,尤其对确定初步设计中的应力水平非常重要。使用实践证实: 组装成型后的构件在低应力下运转一定周次后,再逐步提高到设计应力水平, 也可提高抗疲劳强度;对于发热摩擦零件采用降温设计,这些方法都能提高构 件疲劳强度及寿命。电子行业采取降荷降温设计后,会使某种电子产品的寿命 由原来的平均不足 300 小时,提高到 3000 小时左右。
(3)避免和减缓应力集中
零件的疲劳破坏一般是从最大应力处开始的,而应力集中通常是产生疲 劳裂纹的最主要原因,在设计时应尽量避免,可是在实际结构中要完全避免应 力集中问题几乎是不可能的。因此,在设计中应尽量减缓应力集中现象。结构 件的设计原则是:
在零件中应避免横截面上出现急剧变化,当横截面形状或尺寸改变时,尽量 用大圆角来过渡,同时在设计时应避免传力路线的中断。
尽可能采用对称结构,避免带有偏心的结构,在不对称处应注意局部弯曲引 起的应力。
结构件应尽可能减少开口,特别在受拉表面尽量不开口,如需开口应考虑其 形状,以减小应力集中,同时开口的位置应设计在低应力区。
铆钉及螺纹孔,焊缝等是产生应力的集中源,在其连接处适当加厚以降低局 部应力,对焊缝处磨平,采用去毛刺,边缘倒角等工艺是减小应力集中的有效 方法。
在主要零件存在应力集中的地方不应再连接次要零件,避免增大局部应力。
图(1)降低应力集中的几个案例
(4)降低表面粗糙度和改善表面质量
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