影响机械零件疲劳强度的因素分析及工艺改进

【摘  要】对机械零件疲劳强度的研究在航天、造船、原子能研发等科学技术领域都有着极其重大的意义，在提高机械零件质量、延长零件寿命等方面有极大的实用价值。本文针对影响机械零件疲劳强度的因素展开分析，对几种主要因素进行解释、归类，并在此基础上提出工艺改进的办法。

【关键词】机械零件;疲劳强度;因素分析

机械零件在使用中由于各种各样的原因会不断被磨损，直至最终完全失去功用。这说明零件的疲劳强度决定着零件的使用寿命。为使机械零件更持久耐用，方便零件设计师对症下药，对影响机械零件疲劳强度的因素展开研究是十分必要的。

一、机械零件疲劳强度的因素分析

1.应力集中的影响

应力集中，即当机械结构受力时，其截面上的台阶、开孔、桦槽等局部区域出现的应力增大现象[1]。机械零件中的脆性构件受应力集中的影响较大，可能会出现裂纹或直接断裂。机械零件中应力集中的部位，例如尖角、键槽等，往往是导致机械疲劳、缩短机械寿命、引发破坏事故的源头。比如，1953年至1954年两年间英国海外航空公司发生3起“彗星”号客机坠毁事件，调查结果显示飞机失事是由于客舱加压结构设计不合理，机身铆钉孔处应力集中过度，最终导致气密座舱的破裂。理论上最大局部弹性应力除以平均应力所得的数值即为应力集中指数，这个指数不受载荷的影响且永远比1大。实际中机械零件受到的有效应力与理论上计算出的应力并不吻合，理论应力算法以弹性理论为支撑，没有考虑到应力集中对塑性机械零件材料疲劳强度的影响，不够全面。

2.尺寸的影响

根据机械零件构件材料尺寸的大小不同，应力梯度、统计因素、工艺因素等都会发生不同程度的变化，对机械零件疲劳程度产生影响[2]。一般来说，尺寸越大，机械零件疲劳强度越小，大尺寸的材料所含的晶粒粗大，材料表面缺陷问题多，出现应力集中的材料面积大，使得机械零件疲劳强度大大降低，对零件造成严重损害，如构件材料抵抗不住应力的集中摧残会出现表面开裂或完全断裂等现象。作为机械零件疲劳强度衡量的一项重要指标，针对同一种材料尺寸系数的计算公式为：非标准尺寸试样的疲劳极限除以标准尺寸试样的疲劳极限，所得数值即为尺寸系数。与实际机械零件相比，标准试样的尺寸一般较小，直径长度在6至10毫米之间。用较小的试样测试材料疲劳强度有利于实验的开展，但另一方面试样小导致实验所得的材料疲劳强度数值偏高，实际中材料的疲劳强度数值是达不到这一标准的。

3.表面加工的影响

机械零件承受的应力超过负荷，疲劳强度降低，零件遭到破坏而出现开裂纹路。裂纹一般出现在机械零件材料的表面，由此可知提高机械零件表面材料的质量有利于控制机械零件的疲劳强度。当前机械零件制造业一般使用弹簧材料制作机械零件，经过生产过程中的多道轧制、拉拔、卷制工序，本身质量不佳的弹簧材料会出现裂纹，由此制成的机械零件在投入使用前就存在质量问题。除零件制造中受到的表面损伤外，在售卖及转运、安装过程中还可能在零件表面造成划痕、斑点等，这些瑕疵即便不明显，也会加剧机械零件在使用中报废的风险。因此，机械零件材料表面的光滑度也是零件疲劳强度的重要衡量指标。理论上忽略其他因素的影响，机械零件表面的粗糙程度和零件的疲劳极限成反比。

4.平均应力的影响

机械零件投入使用后可以发现，不管零件设计理念是否有意使零件承受对称载荷，在实际操作中施加到机械零件结构上的载荷不可能实现完全对称[3]。应力幅是影响零件疲劳强度的最主要因素，但平均应力对零件疲劳强度的作用也不容忽视，其中拉伸平均应力会降低零件疲劳强度、增大零件耗损程度、缩短零件寿命，压缩平均应力对零件的影响则与之相反。平均应力与零件构件材料的疲劳极限成反比，平均应力增大时，材料疲劳极限就会相应变小。书面上用极限应力曲线表现、记录平均应力和零件疲劳强度之间的关系。在机械零件的疲劳设计中有时需要将平均应力换算为应力幅，这种运算可通过平均应力折算系数实现。

5.其他因素的影响

上述四种因素是机械零件疲劳强度的常规影响因素。除此之外还有一些影响程度不深、出现频率不高的因素，它们的作用也是值得讨论的。

（1）载荷类型

拉压、弯曲、扭转是载荷的3种主要类型，其中拉压载荷对零件表面承受应力的面积改变不大，对零件疲劳强度的影响最小;弯曲、扭转的载荷使零件疲劳强度在盈利梯度的作用下发生改变且变化较为显著[4]。制造零件的过程中，生产车间为制作出形制符合标准的零件，会对零件进行反复打磨加工，零件材料的表层和整个的零件外观以及内应力都产生了变化，影响着零件的疲劳强度。

（2）加载频率

加载频率有3种形式：正常频率加载、高频率加载和低频率加载。正常频率在5到300赫兹，高频率指超过300赫兹，低频率则在0.1到5赫兹。机械零件载荷频率一般是正常频率，具体在5到200赫兹之间。如无特殊环境条件，加载频率对金属类机械材料疲劳强度的影响几乎可以忽略不计。比如机械工作环境中没有腐蚀金属的物质时，加载频率的影响是微乎其微的;而当易熔化的合金机械零件处于中温环境中时，加载频率对机械零件疲劳程度的影响会有比较明显的表现。

（3）环境介质

具有腐蚀性的环境介质和交变应力共同作用于机械零件，零件构件材料将遭到破坏，被破坏的地方成为零件疲劳的源头，在后续运转中无力抵抗应力作用，引发零件的断裂。此外，温度也是影响零件疲劳强度的环境介质。一些零件材料对环境温度的适应性不强，在温度大幅度升高时疲劳极限也会发生很大改变，很容易出现疲劳事故。

二、工艺改进的办法

1.针对应力集中的改进办法

设计机械构件时尽可能少地使用尖角孔或槽。机械零件设计中必须使用易引发应力集中的结构时，也应尽可能减小该结构的应力集中效应。如设计中用到九十度直角时，可以选择一个直径比较大的轴段，在上面开设卸载槽或者退刀槽;设计中需要轴和轮毂静配合时，可以加长轴参与静配合部分的直径、在轮毂上开设减荷槽，选择圆角过渡方式，这样就有效地减小了轮毂和轴的刚度差距，减轻了两者配合面边缘处的应力集中效应。

2.针对表面加工的改进办法

使用各种工具及技术手段对机械零件原材料表层进行加工，如强压、磨削、抛丸等，尽可能使材料表层变得光滑，从而增大零件的疲劳强度系数，降低零件使用中的疲劳强度。工业中常用两种零件材料表面加工方式：一是表面热处理，对材料表面进行高频淬火等加工，使材料表面受热，再配合使用渗碳等技术手段，增强零件表面对疲劳强度的抵抗能力。一是表面机械强化，通过滚压等物理机械方法增强零件表面抗应力集中的能力，降低使零件表面产生裂纹的拉应力，使零件表层构件材料强度大大提升。

3.针对环境介质的改进办法

在抗腐蚀方面，可以通过氧化、涂料等方法在机械零件表面增加一个保护层，将腐蚀性物质和金属零件材料隔绝开来，从而避免零件遭受腐蚀[5]。也可以在零件制造时采用不锈钢或铁以外的耐腐蚀能力强的金属材料。在温度适应方面，可以使用如耐热钢材等耐热性能好的金属材料。

三、结束语

机械零件疲劳强度因素分析能为零件设计师提供很多有效信息，是零件疲劳可靠性设计的重要数据来源。实际生产中机械零件的疲劳强度受多种因素影响，本文只介绍了应力集中、尺寸、表面加工、平均应力等较为常见的几种，并针对其中一些因素提出了几点改进零件制造工艺的办法。零件制造业从业人员需要认识到机械零件疲劳强度因素分析的重要作用，继续对这一课题进行更为深入、系统的研究。

参考文献：

[1]郭良超，杨欣可，苏计东，等.零部件疲劳强度分析与寿命计算[J].科学技术创新，2017（13）：139-140.

（作者單位：中石化江钻石油机械有限公司技术中心）