提高零件疲劳强度的方法

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。

10时，属静应力强度，当循环次数在在一定的应力比下，当循环次数低于3

4

310

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~

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，无论应力于4

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：

a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。

b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。

d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。

e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。

f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：

a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。

b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。

c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。

d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。e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

疲劳破坏通常从表面开始，疲劳裂纹一般在表面质量差的地方产生。因此，在设计时需考虑：

a降低表面粗糙度，使表面状态系数增大，提高疲劳强度。

b采用表面强化工艺，是表层金属强度提高，使疲劳发生源从表面移至到表层以下区域，达到提高零件的疲劳强度。如表面淬火等热处理，渗碳渗氮等化学热处理以及滚压，喷丸等机械的硬化处理等方法，使材料表层的抗疲劳强度增加。

近年来，表面强化方法趋于完善，除了传统的零件硬化方法以外，液压机械处理，振动滚压，金刚石熨平等新方法也得到了广泛应用。其中振动滚压法可使中等硬度结构钢的冷作深度达30至50mm，而大大提高零件的疲劳极限。

还有各种复合强化方法，如表面塑性变形与表面淬火联合发，表面塑性变形与热处理联合法，表面塑性变形与电镀联合法，表面塑性变形与对焊缝进行预氩弧处理的复合强化等也得到了广泛应用。

c采用表面防腐措施，同时要注意防腐是否对疲劳性能产生不利影响，例如对电镀零件应注意避免应力腐蚀现象。

d相对静止的两表面间应减小滑动，避免腐蚀擦伤，无法避免时应采用涂层或填料来减小相互擦伤，如螺栓孔内加入紧配合的衬套。

e采用预变形工艺，即对零件在工作前使其产生部分塑性变形，造成有利的残余压应力以提高零件的疲劳寿命，但同时要注意，引入残余拉应力会使材料的疲劳强度下降。

f尽可能减小或消除零件表面可能发生的初始裂纹的尺寸，疲劳破坏通常是从初始裂纹开始扩展的。止裂措施有：①采用多重受力件。一个构件由几个元件组成，如果其中一个元件出现裂纹，不致扩展到其他元件上。②设置止裂孔和止裂缝，当裂纹扩展到小孔或裂缝时，尖端变钝，使扩展减缓。③设置止裂件，在裂纹的扩展途径上设置加强件。④采用断裂前自动报警的安全措施。例如压力容器断裂前的渗漏报警等。

（5）合理的振动设计

对于高速运行或做往复振动的零件，在设计阶段应注意考虑其布局的合理性以及运动状态的情况。

a设计时应通过与类似产品对比和计算，装配完成后经实测运动的自振频率，以避免各个频率在适用范围内发生共振，造成零部件疲劳破坏。

b对于类似拉杆等运动机构上的操作系统，管路系统在设计时应考虑共振对其的影响，设计时在振动大的地方加设支撑架或改变管路安装位置或将振动构件隔离开等方法都可降低系统的振动。

c对振动系统中的板件，如翼板，振动机械支撑板等在设计时应考虑设置加强肋以提高其整体刚度，避免因高频振动而使板件出现疲劳破坏。

e噪声源附近的结构板件应增加刚度与阻尼,例如喷气发动机的喷管后面就是一个噪声源。夹层是较为常用的有效结构措施。

（6）可靠性设计