【专业】详细解读机械零件的选材与失效,机加人必看!
2023-08-14 17:42
零件在工作过程中最终都要失效。 失效的定义是零件完全破坏， 不能继续工作。或者严重损伤， 继续工作很不安全。或者虽能安全工作， 但已丧失某些性能， 起不到预定作用。
失效分析的目的就是分析零件的失效原因， 检验选材的正确性， 提出相应的预防措施， 确定主要机械性能的要求。对零部件机械性能的要求， 往往是多项的。例如传动轴， 要求其具有高的扭转疲劳强度、 韧性和轴颈的耐磨性。因此， 需要通过对零件失效原因的分析， 找出导致失效的主导因素， 准确确定出零部件所必需的主要机械性能。例如， 曲轴在工作时承受冲击、 交变等载荷作用， 而失效分析表明， 曲轴的主要失效形式是弯曲疲劳断裂， 而不是冲击断裂， 因此应以疲劳抗力作为主要机械性能要求来进行曲轴的设计。制造曲轴的材料也可由锻钢改为价格便宜、 工艺简单的球墨铸铁。
设计与失效
结构和形状不合理， 在零件的高应力区存在应力集中源。如各种缺口， 尖角， 很小的过渡圆角等。另外， 设计人员对零件的工作条件估计错误， 对零件在工作中过载估计不足， 使设计的零件承载能力不够。虽然失效原因在设计， 但通过选材可以避免。当零件的结构和尺寸受到限制不好改动时， 就要通过提高材料的强度来解决。选材不当造成零件过早失效， 问题出在材料上， 但责任在设计者身上。因为选的材料无失效抗力能力， 或对材料的加工工艺性能了解不全， 在加工过程中留下隐患， 导致失效。原材料本身杂质多， 非金属夹杂物超标， 也是失效的原因。零件的加工工艺不良， 在成形的每道工序产生的缺陷都会使零件失效， 冷加工粗糙度差， 切削刀痕太深， 产生磨削裂纹等。所以零件失效主要是设计、 材料、 加工和装配不当造成。公众号《机械工程文萃》，工程师的加油站！
为了保证零件能正常工作，在设计零件时应首先进行零件的失效分析，预估失效的可能性，采取相应措施，其中包括理论计算。计算所依据的基本原则称为设计准则，常用的设计准如下。
零件抵抗断裂和塑性变形的能力称为强度。常用的强度设计准则是：
式中 σ —拉（压）应力；τ —剪应力；
[σ ]，[τ ] ——许用拉（压）应力、许用剪应力；
Sσ，Sτ—计算安全系数 ；
σb （τb ）， σS （τS ） —静强度时材料的断裂极限和屈服极限；
σlim —极限应力。
零件在载荷作用下抵抗弹性变形的能力称零件的刚度。零件的刚度可按材料力学所介绍的方法进行计算，即变形量小于许用变形量，变形量可以是挠度、偏转角或扭转角，即
式中 γ ，θ ，ϕ —挠度、偏转角、扭转角；
[γ ]，[θ ]，[ϕ] —许用挠度、许用偏转角、许用扭转角。
在机械零件的计算中，轴零件的刚度计算较为常用，一般常按挠度条件判断刚度条件，而偏转角或扭转角一般不进行计算。因为轴经过结构设计后，一般直径较大，刚度足够，尤其偏转角或扭转角的安全度更大，无须进行计算。耐磨性是指作相对运动的零件其工作表面抵抗磨损的能力。磨损导致机械零件表面形状被破坏，强度削弱，精度下降，产生振动、噪声，造成工作失效。工程中有80%的机械零件是由磨损造成失效的。因影响磨损的因素很多，而且比较复杂，到目前为止，磨损还没有合适的计算方法，通常采用条件性计算。滑动速度较低、载荷大时，可用限制工作表面压强的方法进行计算，即滑动速度较高时，还要限制摩擦功耗，以避免工作温度过高而使润滑失效，导致零件表面胶合失效。因发热量取决于摩擦功耗，而摩擦功耗又与μ pv的值成正比，其中μ 为摩擦系数， p 为压强，v为相对滑动速度。因为μ 可看作常数，因此摩擦功耗仅与pv有关，故工程中常用限制pv值作耐磨性计算，即高速时还要限制零件的滑动速度v ，避免由于速度过高而加速磨损，降低零件的工作寿命，即v≤[v]
式中[ p]、[ pv]和[v]均为许用值。
高速机械或对噪声有特别要求的机械，振动是噪声产生的原因。为了保护环境，应尽量降低噪声对环境的污染。因此，为了减小振动，要求机械振动频率p f 远离机械的固有频率，特别是一阶固有频率f，即1）改变机械或零件的刚度。
2）采取有效的减振措施。
机械零件的温升过高会引起润滑油粘度下降，使润滑失效，造成零件之间的磨损加剧；如果零件表面的温度升高到金属材料的熔点，则金属表面会产生瞬时焊接现象，即产生胶合，导致机械零件的失效。胶合失效难以准确计算，而且计算过程复杂，为了防止胶合失效，通常用限制温升的简化方法进行计算，即Δt≤[Δt ]
式中 Δt ——温升；
[Δt ] ——许用温升。
按传统强度设计方法设计零件，因材料的强度、外载荷以及加工尺寸等条件存在着离散性，有可能出现达不到预期工作时间而失效的情况。公众号《机械工程文萃》，工程师的加油站！欲将出现这种失效的概率控制在一定范围之内，就对零件提出了可靠性的要求。可靠性的设计指标用可靠度R来衡量。所谓“可靠度”就是指机器或零件在一定工作环境下，在规定的使用期限内连续正常工作的概率。要提高整个机器（串联方式）的可靠度，首先应提高组成机器的每个零件的可靠度，即采用高可靠度的零件；其次，组成机器的零件的可靠度应尽量相同，因为整个机器的可靠度低于组成机器中的可靠度最差的零件的可靠度。对可靠性要求较高的系统与机械必须进行可靠性设计，而机械零件可靠性水平的高低，直接影响到机械系统的可靠性。另外高可靠性的系统一般要有一些备用系统，并需经常维护、保养。找不到我们？
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