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应力集中导致零件失效,如何有效避免?

2022-07-29

机械人,最担心机械零件失效。


据统计,大约有80%的机械零件失效属于疲劳破坏,是机械零件失效的主要原因之一。机械零件疲劳破坏前没有明显的变形,一旦失效将造成重大事故。


世界上第一架喷气式客机彗星客机,方形窗框使应力集中于四个角上,频繁的加压导致结构金属疲劳,四个角的金属疲劳尤为严重,容易产生裂纹。最后裂纹开裂,客舱失压,在1953至1954年期间,造成了3次坠毁事故。




大量破坏事例证明:应力集中是影响零部件疲劳强度的主要因素。应力集中削弱了零件的强度,降低了零件的承载能力。当应力达到材料的强度极限后,机械零件会在应力集中部位形成疲劳裂纹。裂纹尖端处将产生更大的应力集中,引起裂纹在该截面的进一步扩展,最终导致材料断裂。


01

应力集中常出现的区域


应力集中通常出现在零件空间发生突变、空间曲率或梯度发生改变的位置,如零件中的孔、键槽、缺口、台阶等地方。在加工或使用过程中,这些部位将产生很大的应力集中而导致开裂。




加工产生的缺陷,如刀痕、磨削裂纹、焊接接头的咬边、铸件的错缝等,装配或检修时产生的划痕和意外碰伤等,都会使零件在使用过程中引起应力集中,导致开裂失效。过渡区域不光滑,则可能会出现应力奇异。


另外,由于强拉伸、冷加工、热处理、焊接等而引起的残余应力,这些残余应力叠加在零件应力上后,也有可能出现较大的应力集中,其中零件焊缝本身就是容易产生应力集中的部位。


而材料本身存在的夹杂、气孔、裂纹等非连续性缺陷也会产生应力集中,相关研究发现:


① 材料夹杂与基体弹性模量的差异越大,产生的局部应力集中也越大,气孔导致的应力集中大于硬夹杂;


② 多个夹杂存在时,相邻的应力场会发生耦合强化作用,强化效果与夹杂排列方向和加载方向有关;


③ 在忽略夹杂的循环塑性条件下,循环应力对气孔周围应力集中影响较大,但对硬夹杂周围应力集中影响很小;


 气孔非常靠近表面时,应力水平越高,应力应变集中系数Kg越大,裂纹容易在表面萌生。气孔的位置较深时,应力水平越低,Kg越大,裂纹容易在内部夹杂处萌生。


如果考虑各种材料缺陷、施工及加工工艺问题、实际使用因素等,应力集中将无处不在。工程中常用以下几种技术措施来降低应力集中程度:


02

强化材料以降低应力集中的影响


① 表面热处理强化


表面热处理强化包括表面感应淬火、渗碳、渗氮和复合处理等,能提高零件表面的硬度、耐磨性和疲劳强度,但心部仍具有较高的韧性。常用于轴类、齿轮类等零件。



大部分钢种感应加热表面淬火温度表(点击可放大)


不同的加载方式下,表面热处理强化效果也不同。轴向加载时,表层和层下的应力相同。这时,表面处理只能改善表面层的疲劳性能,心部疲劳强度的提高有限。在弯曲和扭转条件下,叠加表面处理形成的残余应力,使表面实际承受的应力降低,能有效提高弯曲和扭转条件下的疲劳强度。


② 薄壳淬火


直径大且有截面变化的短轴类零件,如选用低淬透性钢,进行深层感应加热,零件表面可获得一定深度的高强度马氏体组织,并产生残余压应力,大大提高了零件的疲劳强度。


薄壳淬火亦可使心部组织奥氏体化,变为由贝氏体、托氏体索氏体组成的组织,强度达到原来组织的2倍。


③ 喷丸强化


喷丸强化使零件表层发生塑性变形,且产生大的残余压应力,从而降低应力集中的危害。高强度材料表面粗糙度值大或有缺陷时,喷丸处理对降低应力集中的影响更明显。应力喷丸处理比一般喷丸处理效果更好。



H13钢喷丸前后热疲劳性能对比


喷丸不受材料限制,价格低廉,不受工件形状和尺寸的限制,广泛应用于航空、车辆、压力容器、汽轮机等行业。


④ 滚压强化


滚压强化的作用主要体现在:降低表面粗糙度、提高表面硬度、在表层产生残留压应力、提高零件的耐应力腐蚀性。




超声滚压能改善金属表层微观肌理,修复错乱的晶格排列,实现表层金属纳米化,大大提升零件的综合力学性能。且能直接加工出镜面零件,表面粗糙度达到Ra0.2以下,而传统滚压只能实现Ra0.4左右。


03

优化设计降低应力集中系数


① 改变应力集中因素的形状


变尖角为圆角,使过渡区接近于流线形或抛物线形,能有效缓和应力集中程度。一般来讲,圆角的曲率半径在可能的范围内愈大愈好。如果将圆孔改为椭圆孔,往往能提高零件的强度。




② 改变应力集中因素的位置


将应力集中因素选在零件应力低的部位,且应尽量远离零件的边界。如果必须开在高应力区,则应采取补强措施。




椭圆形的长轴应与主应力方向平行,以降低应力集中系数。如下图,一椭圆孔的受拉板,随着应力集中因素方向的改变,应力集中系数有很大的差异。




③ 增加应力集中的因素


在应力集中区附近的低应力部位增开缺口和圆孔这样可使应力的流线平缓,从而降低最大应力峰值。例如,图a所示的应力集中系数为3,而图b所示的应力集中系数为2.63。




这是因为增加应力集中因素使边界条件的不连续性得到改善。在增加应力集中因素时,需考虑它们之间的距离。间距过大,会使每个应力集中因素以各自独立的形式产生应力集中,从而失去了增加应力集中因素的意义。


同样,在构件截面突变的地方,增加卸载槽,也可改善应力集中情况。



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