提高零件疲劳强度的方法研究

长安大学工程机械学院 张 扬 韩 蕊 韩延波

一、提高零件疲劳强度的意义

机械零件和工程构件的主要破坏形式有磨损、腐蚀和断裂。由于磨损和腐蚀进程很慢，一般可通过定期检查、更换零件或修理予以解决，而断裂的发生比较突然，往往会导致灾难性的设备事故和人员安全事故应引起工程界的广泛重视。造成断裂事故的原因有很多，其中80%以上是由于金属疲劳引起的，所以，提高零件的疲劳强度对工程界来说尤为重要。

二、提高零件疲劳强度的方法

1.合理选材。在零件设计的选材中，既要注意满足静强度要求，还要具有良好的抗疲劳性能。在设计疲劳强度时，须从疲劳强度对材料的要求来考虑。一般从下面几个方面进行选材：在使用期内允许达到的应力值；材料的应力集中敏感性；裂纹扩展和断裂时的临界裂纹尺寸；材料的塑性、韧性和强度指标；材料的抗腐蚀性能、抗高温性能和抗微动磨损疲劳性能等。

合理选材是疲劳强度设计中的一个重要问题。如，高强度合金钢强度高，常用于重载零件，但高强度钢的缺口敏感性往往也高，这对疲劳强度是不利的。同时，在疲劳强度设计中，常希望零件在出现裂纹后不要很快发生灾难性破坏，这就要求材料具有较高的断裂韧性。材料既要有高强度又要有高韧性，两者之间有矛盾，因此，选材的过程是一个兼顾调整的过程。

2.表面冷加工强化。零件在弯曲或扭转循环载荷作用下，最大应力总是出现在表层的某一范围内，提高表层的疲劳强度，就能延长零件的寿命。表面冷加工强化是提高零件疲劳强度的常用工艺，主要有表面喷丸强化、表面辊压和锤击两种方法。

3.表面热处理强化。为了在钢制零件上产生一层硬化表层，以提高材料的疲劳强度，常进行表面热处理或热化学处理。常用的表面热处理强化方法有电感应表面淬火、渗碳和氮化等。

4.改进结构。由于几何结构和受载等原因，大多数的机械零件在某些应力集中严重的部位会出现峰值应力，成为预先产生裂纹的地方。改进结构无疑是减小应力集中的一个主要措施。

（1）在零件设计中，应尽量避免横截面急剧突变。在零件的横截面尺寸和形状有改变的地方，应尽可能采用较大的圆角光滑过渡，也可以开卸载沟槽或退刀槽。

（2）适当提高构件的表面光洁度，提高表面质量。尽可能在零件或构件上少开缺口，对受拉表面尽量不开缺口。如果必须开缺口，应特别注意缺口的形状，注意减小由此产生的应力集中系数。

（3）铆钉孔连接处是产生应力集中的地方，孔的不同排列所得到的峰值应力是不同的，要寻求最合理的排列形式以减小峰值应力。增大零件在铆钉和螺栓连接处的厚度也可降低峰值应力。孔的边缘最好用倒角，或在孔的边缘进行挤压，使该处产生残余压应力，以提高该处的疲劳强度。

（4）尽量采用对称结构，并避免带有偏心。在不对称的地方，要注意由于局部弯曲而引起的附加应力，可以在不对称结构的局部采取加强措施，确保不出现过大的附加应力。

（5）在不影响结构整体功能特性的情况下，零件横向尺寸尽量要小。大尺寸零件包含的缩孔、裂纹及夹杂物更多，增加了裂纹产生的概率；大尺寸零件表面积大，而裂纹源一般都在表面或表面下，故形成疲劳源的概率更大；若大小构件最大应力均相同，在相同表层厚度内，大尺寸零件所承受的平均应力要高，这有利于初始裂纹的形成和扩展，使疲劳强度降低。

（6）高速机械经疲劳强度设计计算确定了主要零件的尺寸后，必须对运动系统进行动态分析，如发现有振幅太大的现象，应改进结构，将振幅降到规定的容许值以下。

（7）焊缝是应力比较集中的部位，设计焊接件时，要合理布置焊缝。焊缝最好能对称布置，并尽量使其接近中性轴，这样有利于减小焊接变形；应避免焊缝汇交和密集，让次要焊缝中断，主要焊缝连续。对焊缝进行磨削加工，是减小焊缝处应力集中的有效措施。

（8）尽可能减小或消除零件表面可能发生的初始裂纹的尺寸。对于延长零件的疲劳寿命有着比提高材料性能更为显著的作用，在设计图纸上应规定出较严格的检验方法及要求。

（9）尽量采用经过实践证明是疲劳寿命长的零件结构形式，特别是对于需要满足可靠度要求的设备。这是因为在一切结构的疲劳设计中，实践经验是很重要的，设计工作应有继承性。任何与过去行之有效的设计有较大差别的设计，都需经过试验的验证，确保设计质量，避免重大事故的发生。

5.可靠性设计。对零件进行可靠性设计，在设计阶段应对薄弱零部件考虑备份有能完成相同功能的结构；对于易损件采用有限寿命设计，用可靠性理论准确估计其疲劳寿命期限，当易损件达到使用寿命应时及时更换；设计时尽量减少结构件的内应力和应力集中，采用物理方法消除或降低内应力；采用信号监控装置进行适时监控，如采用自行监控与自行校正的闭式反馈控制系统，这是当前安全设计的发展方向；采用多路传力结构或多重受力结构设计，当其中一个结构件损坏后，其他元件仍能继续受力，保证构件具有继续承载能力。

6.其他方法。针对环境因素对疲劳的影响，还要考虑零件的低温疲劳、高温疲劳、热疲劳、接触疲劳和腐蚀疲劳等方面因素，提出更多合理提高零部件疲劳强度的方法。

三、结论

针对零件容易出现疲劳破坏的情况，从零件的研究和设计角度、工艺角度以及使用角度分别提出了不同的提高零件疲劳强度的方法，对解决问题具有重要意义。