试析提高机械设计疲劳极限指标的可靠度

[摘 要]对于机械设计工作来说，疲劳抗力指标是一种相对而言的数据类型，在对其进行分析的过程中可以看出，这一指标会受到多种因素的影响，其中包括试样的微观组织结构，加工方法以及相应的实验条件等等。从现如今机械设计疲劳极限指标的确定上可以看出，指标的明确度，材质情况以及数据形式等都存在着严重的差异，其中比较明显的就是在设计的过程中会存在着较多的不科学性。因此，为了提升机械设计工作的高效性，需要以提升手册中相应指标的可靠度和稳定性。只有这样才能够不断对机械设计结果的精准度进行改进。

[关键词]疲劳抗力指标；微观缺陷；可靠性设计

中图分类号：TP891 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）19-0290-01

在具体的机械设计疲劳极限指标的确定工作中，工作人员应该根据机械设计的相关需要来对极限疲劳指标的可靠度进行深入分析和改进，这样才能够增强机械设计工作运行的高效性和稳定性。另外，还应该充分地了解传统的设计方式，对影响疲劳强度的指标的各种因素进行深入分析，并且采取切实可行的办法来对疲劳极限指标进行完善。

1、传统设计方法简介

从具体的机械设计工作中可以看出，多数的零件都能够独立地承受相应的应力，但是，在对零件承受应力的程度上看，多数的零件都处于即将或者是已经疲劳断裂的状态下。因此，在进行机械设计共组中，疲劳断裂的抗力指标也是对零件进行评定的重要指标。另外，比较常见的零件指标就是弯曲疲劳极限达到σ―1，这一疲劳极限比较普遍，可以在相关的数据以及资料手册中就可以查阅到。在其他不同类型的应力作用下，可以出现扭转疲劳的极限值r―1，以及σ―1p。如果零件的承受应力达到一定的非对称循环应力时，可以根据对称循环的疲劳极限来进行相应参数的控制，因此，需要根据已有的数据信息以及应力参数的作用来保证提升绘制材料的相应作用。具体来说，需要根据玄幻特性r，从极限应力中获得相应的疲劳极限，并且找到零件和试样之间的差异，在考虑到应力集中的情况下，不断完善加工方法和相应的尺寸因素。在此基础上，还需要对相应的系数σ―1进行修正。不仅如此，还需要根据零件的服役要求来对零件的使用寿命进行高效限制。

2、影响疲劳强度指标的微观因素

对于同一类型和规格的材料来说，在经过冶炼之后可以在某一化学成分上出现一定幅度的变化。另外，再加上其他因素和成分的应用，零件的冶炼条件和温度会发生一定的变化。其性能和范围也会出现明显的差异。材料的晶体结构内容整体浓度会出现一定的起伏。晶体和晶粒的性能也得到了明显的体现，这时，金属内部的相关缺陷也比较明显。及时在相同的技工条件下都会存在着较大的差异。因此，为了对影响机械设计疲劳极限指标的可靠度的因素进行研究，需要进行相应的疲劳试验，才能够对其进行有效的验证。

经过多年的研究和探讨可以看出，无论是疲劳破坏还是静力破坏，在滑移阶段体现出了一定的相同性，但是，其差异性也相对比较明显。在经过较大的荷载作用下，塑性变形秦光在大体积的内部分布。在受到较大荷载力的情况下，疲劳裂纹的集中程度也出现了一定的晶体颗粒。如果试件的外部存在着一定程度的缺口，就会使得零件的表面比较粗糙，而且内部出现严重的夹渣，裂纹以及气孔等形式。由于在疲劳期受到的破坏性明显较大，所以，零件的最弱部分必然会受到严重的影响。因此，这些情况需要受到材料商的高度重视。

基于此点，疲劳极限是一个极易受外界条件和内部组织影响的参数。归纳起来，影响疲劳抗力的因素有四大类：

2.1零件本身外形因素：几何形状、尺寸和表面状态等：

2.2制造工艺因素：铸、锻、焊、切削加工、热处理、表面处理等；

2.3使用条件：应力类型及大小、频率范围、环境条件、使用介质等；

2.4材料本质：化学成分、组织结构、晶粒大小、纤维方向、夹杂物、偏析等。

在机械设计中，对于前三种影响因素已做了相应考虑，而材料本质方面的影响考虑甚少。但实际零件在服役过程中由于材料内部的各种微观缺陷造成突然疲劳断裂的事故屡见不鲜。但由于材料内部组织的复杂多变，不易控制，对疲劳抗力的影响无规律可循，给我们的设计研究带来很大的不便。寻求一种极有较广的适应性，又能充分考虑设计者的设计环境，而且便于操作的设计方法，非常必要。在测定疲劳极限过程中，对于疲劳试验原始数据，应尽可能详尽地提供给设计者，比如疲劳试样的毛坯类型、终加工方法、形状尺寸、取样部位、品粒大小、组织状态、材质质量等。对于小锻件或压轧材料，应了解试样与压轧方向是平行还是垂直。

对于大锻件应知道取样部位是钢锭的上端还是下端。对于铸件，应了解是单独铸造还是取自铸件，若是后者，应知道取自铸件的何种部位。因为从铸件中不同部位切割的试样，其机械性能悬殊很大。至于切割试样的方法，使用气割或电弧切割，都不可避免的使试样再次加热，可能会影响到试样的微观组织乃至性能。而冷切割时，是否避开了过度冷变形而导致的脆性转变温度范围。进行规定的热处理之后的组织状态如何等等。设计者只有充分了解了疲劳试样的制备过程和微观组织情况，才能根据所设计零件的服役条件、重要程度、零件的组织情况等，对手册中查得的数据进行综合恰当的处理，使得设计过程与疲劳试验过程更贴切地吻合。

3、现有设计资料中疲劳强度指标的可靠性

如前所述，疲劳实验数据具有极大的分散性，在相同应力下其应力循环周次常常在几倍甚至十倍、百倍的幅度内变化。从零件的使用寿命也可以看出，据统计，同一批生产的滚动轴承使用寿命最高与最低的比值竟高达8～40。因此。必须采取统计处理方法来获取数据，才能得到接近可靠的疲劳强度指标。可靠性设计方法现在并没有广泛的应用于机械设计中，大多数设计手册中的疲劳强度指标提供的仍然只是疲劳试样的牌号、热处理状态和单一实验数据，不免让人怀疑其数据的准确性和可靠性。而材料性能指标的准确性不足，将增大设计过程中的盲目性，为日后的事故埋下隐患。

4、结论

4.1由于疲劳破坏的突然性、高度局限性及对各种内在和外在因素影响的敏感性，疲劳抗力指标不仅极易受各种因素影响，疲劳实验数据非常分散，而且一旦发生疲劳失效，常常造成灾难性事故。在设计过程中，仅靠目前大多数手册中材质不明、试验条件不清、单一的疲劳强度指标进行设计，使设计结果具有很大的盲目性和偶然性。提高疲劳抗力指标的准确性和可靠性，是正确进行疲劳设计的前提。由于疲劳抗力指标的上述特点，数据全面更新工作，需要投入大量的人力物力，做大量的试验，决非个人和单位所能承受得了。建议国家科研机构花大力气，尽快组织力量更新资料和手册中疲劳极限指标。

4.2产品固定的企业应建立自己的研究数据库，跟踪产品质量，从生产及使用过程中积累产品疲劳抗力指标的第一手资料，及时反馈到设计制造过程，更新实验数据。同时加强产品的整机试验。

4.3本文仅从提高疲劳抗力指标可信度的角度来谈提高疲劳设计结果的可靠性。但提高疲劳抗力.抵抗疲劳失效，一方面需要在设计过程中正确的衡量、综合地考虑各种内在、外在因素的影响另一方面靠在实践中积累经验。这是一项非常复杂的系统工程，有待于全体机械设计工作者的不懈努力。

参考文献

[1] 朱晓丽，张国凤.浅论计算机技术在《机械设计及自动化》教学中的应用[J].网络财富.2008（05）.

[2] 陈天熙.浅议远程机械设计[J].中小企业管理与科技（上旬刊）.2010（04）.

[3] 杨松华，陈国辉.树立专业思想，强化实践环节――提高“机械设计”课程教学效果的几点思考[J].经济师.2011（09）.

[4] 朱维兵.机械设计课程教学模式改革探索[J].价值工程.2012（07）.