浅谈提高机械设计疲劳极限指标的可靠度

[摘 要]疲劳抗力指标受试样的微观组织结构、加工方法、实验条件等诸多因素的影响。大多数设计手册中提供的疲劳强度指标,材质不明,数据单一,增大了设计过程的盲目性。提高手册中疲劳抗力指标的可靠度,是提高机械设计结果准确性的前提。

[关键词]疲劳抗力指标 微观缺陷 可靠性设计

[中图分类号]TV352.1[文献标识码]A[文章编号]1007-9416(2010)02-0105-02

1 设计过程的传统设计方法简介

在工程实际中,绝大多数零件承受变应力作用。根据各种零件的失效统计数字,也说明了70%以上的零件是由于疲劳断裂失效的。因此在机械设计过程中,疲劳断裂抗力是评定零件的重要指标之一。最常见的疲劳抗力指标是光滑试样在对称循环弯曲应力实验下得到的弯曲疲劳极限σ-1,这是在一般技术资料和手册中都可以查到的。在其它应力状态下,有扭转疲劳极限τ-1和拉压疲劳极限σ-1p等。当零件承受非对称循环应力时,则根据对称循环应力下的疲劳极限σ-1、脉动循环应力下的疲劳极限σ0和静应力下的极限应力参数σB或σS,绘制材料的极限应力图。根据循环特性r,从极限应力图中获得非对称循环应力下的疲劳极限σr。设计过程中,根据零件与试样的差异,考虑应力集中、表面加工方法和尺寸因素的影响,引入相应的系数对σ-1进行修正。根据零件的服役要求不同,可以进行有限寿命设计和无限寿命设计。

2 影响疲劳强度指标的微观因素

任意一批相同牌号的材料,由于在冶炼过程中允许化学成分在一定幅度内变动,加之各种各样的其它可变因素(如成分偏析、冶炼条件及轧制温度的波动等)的影响,它的性能必定在一定的范围之内变化。由于材料晶体内部的浓度起伏,晶界与晶粒性能的差异,非金属夹杂物与金属界面的结合情况,金属内部各种各样宏观、微观及超微观缺陷的存在等等,造成了即使在相同加工工艺、相同化学成分、相同热处理状态下,也存在着较大的性能差异。这种差异在室温静载荷作用下表现不明显,而在动载荷和交变载荷作用下,由于应力应变作用的高度局部化,其性能不均匀性表现得非常突出。疲劳实验数据极为分散证明了这一点。

经研究表明,疲劳破坏与静力破坏过程在滑移阶段有相同之处。重大不同之处在于在静载荷作用下,塑性变形及强化是在材料比较大体积内分布的,而在交变载荷作用下,疲劳裂纹集中发生在个别晶粒。如果试件外部有缺口,表面粗糙,或内部有各种缺陷(气孔,裂纹,夹渣,缩孔等),此处必定引起应力高峰,成为疲劳裂纹的发源地。由于疲劳破坏的局限性,一个零件的疲劳抗力取决于零件最弱部分的强度或宏观、微观缺陷引起的应力集中。因此,材料内部微观组织缺陷对疲劳破坏的影响已得到材料界的共识。

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:

(1)零件本身外形因素:几何形状、尺寸和表面状态等;

(2)制造工艺因素:铸 、锻、焊、切削加工、热处理、表面处理等;

(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;

(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。寻求一种即有较广的适应性,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。

笔者认为: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、晶粒大小、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(对于拉压疲劳极限测定尤为重要)。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,是否避开了过度冷却变形而导致的脆性转变的温度范围。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,减少设计过程的盲目性,提高疲劳设计的可信度。

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。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。美国在建Mount Hope 和 Ambassador 两座大悬桥时,以少数静载荷实验数据为依据,用热处理高炭钢丝,代替一贯成功使用的高炭冷拉钢丝,结果造成两座大桥在建造过程中就发现钢丝大量折断,造成惨重的损失。事后进行多年大量试验才发现,钢丝折断的原因是热镀锌在钢丝表面缺陷处形成脆性的高锌铁合金而导致断裂。

4 结论

(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。疲劳强度指标不仅应列出参与试验的数量和统计数据,而且应尽可能详尽地提供试样的毛坯类型、终加工方法、形状尺寸、取样部位、取样手段、晶粒大小、组织状态、材质质量等,设计方法尽快采用可靠性设计,才能增加疲劳极限指标的可靠性,提高疲劳设计的准确性。

(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。

(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] 吴宗泽主编.《机械设计》中央电大出版社出版,(1986年第一版).

[2] 赵少汴.“有限寿命疲劳设计法的基础曲线”.《机械设计》1999(11).