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1、丁静设计阶段的失误与 失效7.1 设计阶段的失误与失效一部机器的质量基本上决定于设计质量，劣质的设计或者 设计中的疏忽常是导致失效的原因。在设计引起的失效案 例中，部分失效是由于设计失误直接引起的，部分则是由 于规定的热处理或精整工艺与设计不相适应引起的。应力集中的作用在由设计引起的失效中，尖角和半径太小的圆角等的应力集中 引起的疲劳断裂占有很高的比例。零件或组建通常含有缺口、圆角、 孔或类似的应力集中因素，零件及加工表面的刀痕也往往成为应力集 中源，这些应力集中因素如果出现在高应力区，则可能造成足以引起 失效的损害。材料的各向异性钢锭经过轧制后，使钢材带上方向性，沿纤维方向取样的机械性能，
2、特别是塑性和冲击韧性，比垂直于纤维方向取样的要高。同样的情况 ，纵向试样的疲劳强度也比横向试样高。材料的强度越高，这种差别 越大。设计不当引起的失效很多重要的结构件是经过锻造和热处理以及精整加工而成的。在热加 工过程中，金属经受高温变形以及剧烈的加热与冷却。因此，这些零 件的设计，不但要考虑与工作条件有关的性能要求，而且还应根据工 作条件考虑钢种、胚料尺寸、锻造比和热处理工艺等问题。例如某高 碳钢的试样奥氏体化后空冷时产生裂纹。如果采用合理的热处理工艺 可能避免开裂的现象。比如采用分级淬火的工艺。将加热的工件先放 入温度稍高于马氏体转变温度点的盐浴和碱浴中，保温2-5分钟，待 其表面与心部的温
3、度均匀后，立即取出在空气中冷却，使之发生马氏 体转变。该法可有效减少内应力，防止变形和开裂。7.2 零件结构与失效缺口效应受载零件内部存在的不连续性缺陷，会严重影响零件的应力状 态和断裂特征，这些不连续性缺陷常作为应力集中因素，萌生 裂纹并成为断裂源。零件自由表面的不连续处如轴肩、台阶、 圆角和孔等，也是作为应力集中因素存在的，表面的这些不连 续因素都起到缺口的作用，均可简化为缺口。结构零件的失效 ，在很多情况下是从这些缺口处开始的。1.应力集中缺口处存在应力集中，缺口越尖锐，应力集中系数越大，应力 集中程度越高。当缺口根部的应力水平超过材料的屈服强度时 ，会发生局部塑性流动，使缺口变钝，降低
4、局部的应力集中水 平。缺口效应2 三向应力状态除了应力集中效应外，在缺口截面附近，还会产生三向应 力状态。对于薄板试件，板厚方向上的约束很小，缺口根 部也会产生三向应力状态，但板厚方向上的应力很小，一 般可不计。因此在薄板情况下的缺口试样，只有两个方向 上的应力，称为平面应力状态。在厚度较大时，缺口截面内部为三向应力状态，板厚方向 上的应力的作用为抑制板厚方向上的变形，如果该应力充 分发挥作用，使板厚方向上的变形完全受到抑制的话，则 出现只有两个方向发生变形的状态，称为平面应变状态。缺口效应缺口强化效应缺口根部三向应力状态的出现，使该局部应力状态变硬， 使变形受到抑制，塑性变形也被推迟到更高的
5、应力水平。由于上述缺口效应的存在，缺口根部的材料行为与其他地 方存在很大差异，所以缺口根部容易诱发裂纹萌生，成为 断裂源。在第三章疲劳断裂失效一节中，关于舰炮弹簧疲 劳断裂失误实例，断裂起源于弹簧端环平面上的钢印压痕 ，这显然应归因于压痕产生的缺口效应。缺口效应试样表面的台阶状纹路产生缺口效应导致台阶处变为拉伸断裂的断裂源刚度零件的几何形状、截面尺寸决定其刚度和承载能力。对于 限制弹性变形的零件，有时因刚度不足，工作中产生过大 的弹性变形而直接导致失效；有时则因弹性变形量过大而 诱发其他的失效形式，如磨损、微动损伤等。零件对弹性 变形的抗力被定义为刚度，要提高零件刚度可选用高弹性 模量的材料或
6、增大截面积。弹性模量是主要决定于材料基体特征的一种性能，对材料 成分和组织的变化不敏感。例如对于钢铁材料，从廉价的 铸铁到高合金钢，弹性模量都相差不大，因此在主要按刚 度选材时，应首选一般的钢铁材料，而没有必要选用高级 合金钢。刚度决定零件刚度的另一重要因素是截面尺寸，增加零件截面 积也可增加刚度。对于工程塑料，其缺点是弹性模量远低 于金属的弹性模量。但若在零件的截面形状上加以考虑， 则可以弥补这种不足。许多矩形梁是设计成实心的，但把 它设计成空心的、有凹槽的、或T型的、工字型的截面， 可以在不改变梁的重量的情况下增大截面的惯性矩，提高 其刚度。结构设计不合理引起零件失效的实例例1 由于长度设
7、计不合适等原因造成的奔驰2626K38型翻 斗载重汽车后钢板弹簧的早期疲劳断裂。分析得到的结论 认为由于后钢板弹簧单片长度设计不合理，造成第二、三 片间的级差过大，使应力分布极不均匀，在第二片的近端 部形成一极高的的应力区，再加上材质上的缺陷，有大量 夹杂物，同时脆性转变温度高了，造成过早的疲劳断裂。 因此建议， 只有改进设计，严格控制材质，才能有效地 解决过早疲劳断裂的问题。7.3 减小应力集中的措施1 零件的结构应有利于载荷的均匀分布对于轴与轴承连接，要力求避免力的传递存在急转弯，如 图(a)所示，造成轴上的载荷分布不均匀，而应使力的传 递转弯缓和，使轴受力均匀分布，如图（b）减小应力集中
8、的措施2 加大轴径变化处的圆角半径轴的直径变化能引起应力集中，并且是发生在直径变化处 较小直径的部分。图（a），轴肩与轴相交处的尖角使应 力在其大直径通向小直径时集中在尖角上。当采用大圆角 在机件装配方而存在困难时，可以采用内圆角，如图(b) 所示。减小应力集中的措施图（c）为小圆角过渡，应力集中程度部分得到缓解。（d）中所示的大半径圆角使应力通过时受到最小的限制， 值产生轻微的应力集中。3 降低承受你冲击载荷零件的刚度4 加大压配合部分轴的尺寸或开卸载槽7.4 零件材料选择与失效设计选材的一般原则服役条件和失效形式零件生产过程中的工艺性能零件尺寸和结构特点材料的经济性典型零件的选材充分发挥材料性能潜力的思考关于材料强度、塑性和韧度之间的合理配合失效抗力与材料强度、塑性和韧度配合间的关系对选择材料和确定工艺的传统观点的变革
