金屬?gòu)椥栽Х治黾八伎?/h1>
2015-04-23 10:56:55張躍丁一趙雷超彭道勇
新材料產(chǎn)業(yè) 2015年1期
張躍 丁一 趙雷超 彭道勇
利用材料的彈性特性來(lái)完成各種功能的元件，稱為彈性元件。彈性元件也可泛稱彈簧，它在負(fù)荷作用下產(chǎn)生彈性變形，去掉負(fù)荷仍能恢復(fù)原來(lái)的幾何尺寸和形狀。彈性元件有多種分類方式，按照受力變形可分為：彎曲彈簧/拉伸彈簧、壓縮彈簧和扭轉(zhuǎn)彈簧；按照彈簧幾何形狀可分為：螺旋彈簧、片簧、蝸卷彈簧（游絲與發(fā)條）、蝶形彈簧和環(huán)形彈簧；電氣開(kāi)關(guān)和儀器儀表中使用的有熱敏雙金屬片簧、膜片、膜盒、彈簧管、波紋管、張絲、吊絲等。最常見(jiàn)的彈性元件是片簧、平面渦卷簧、螺旋彈簧、壓力彈簧管、波紋管、膜片。
彈性元件能夠完成變換、隔離、密封、補(bǔ)償、儲(chǔ)能和連接等各種不同的功能[1，2]。由于它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造容易、價(jià)格低廉、種類繁多，故應(yīng)用極為廣泛[3，4]。機(jī)器、電氣元件、許多儀器儀表和生活用具都要應(yīng)用彈性元件巧妙地完成其重要的功能。在一些儀器儀表中，彈性元件是主要的基礎(chǔ)元件之一，特別是以它作為敏感元件時(shí)，其質(zhì)量直接影響儀器儀表的可靠性和工作精度。各種彈性元件利用各自的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、不同的制造材料和變形來(lái)完成不同的功能。
彈性元件在工作中具有2種基本效應(yīng)：彈性效應(yīng)和非彈性效應(yīng)。所謂彈性效應(yīng)，是指彈性元件的變形僅僅是由于受載荷的影響所表現(xiàn)出來(lái)的性質(zhì)，其具體參數(shù)為體現(xiàn)載荷和變形的剛度和靈敏度；而非彈性效應(yīng)是指彈性元件的變形受其他因素（時(shí)間、溫度、材料性質(zhì)等）的影響所表現(xiàn)出來(lái)的性質(zhì)，如彈性滯后、彈性后效和松弛等；溫度變化能使彈性元件的彈性模量和幾何尺寸產(chǎn)生變化。彈性元件在工作中體現(xiàn)的彈性效應(yīng)稱為使用特性；非彈性效應(yīng)則使彈性元件產(chǎn)生工作誤差，稱為彈性誤差。彈性誤差影響工作精度和工作可靠性，是力求限制的有害性質(zhì)。
載荷和位移之間的關(guān)系曲線稱為彈性元件的特性線（圖1），主要有直線型特性線、漸增型特性線和漸減型特性線3種。
彈性元件是在較高的應(yīng)力下工作，材料表面受力最大，彈性元件材料的綜合力學(xué)性能和材料表面質(zhì)量，直接影響到彈性元件質(zhì)量。保證和提高彈性元件材料力學(xué)性能和物理化學(xué)性能，是確保彈性元件正常工作的關(guān)鍵。金屬?gòu)椥栽墓r決定對(duì)其材料性能的要求[1-5]。常用的性能是應(yīng)力和彈性，工作常態(tài)是交變應(yīng)力，所以要求材料有很高的疲勞極限。在高溫條件和高壓條件下使用的金屬?gòu)椥栽瑢?duì)其抗熱變形和抗蠕變性能要求很高，而在低溫條件下使用的金屬?gòu)椥栽?，則要求其避免冷脆性。
彈性元件的制備工藝決定彈性元件的質(zhì)量，加工工藝和熱處理工藝影響彈性元件的彈性和工況下的性能。但彈性元件在使用過(guò)程中，往往因質(zhì)量不高、嚴(yán)重失效，引起機(jī)械故障。研究彈性元件失效的規(guī)律和機(jī)理，探索防止彈性元件失效事故的發(fā)生，是材料和設(shè)計(jì)工作者一個(gè)長(zhǎng)期而又艱巨的任務(wù)。本文針對(duì)彈性元件失效的主要研究方向，闡述其目前研究狀況，并進(jìn)行粗略的分析，提出解決方案。
一、彈性元件失效形式
彈性元件在其使用的各個(gè)環(huán)節(jié)都是很重要的組件，它的失效將直接導(dǎo)致很多事故甚至災(zāi)難的發(fā)生[6]。疲勞和應(yīng)力松弛是金屬?gòu)椥栽У闹匾?，此外還有氫脆、冷脆、彎曲變形、摩擦變形、沖擊、偏心載荷、焊接、刀痕、腐蝕等因素。金屬?gòu)椥栽氖Э赡苁怯善渲幸环N原因?qū)е率?，也可能是在多因素同時(shí)作用下導(dǎo)致失效[7]。
1.疲勞失效
彈簧的應(yīng)力內(nèi)側(cè)最高而外側(cè)最低，因此彈簧會(huì)由于大量的變形導(dǎo)致彈簧的疲勞失效，尤其在長(zhǎng)時(shí)間多次往復(fù)載荷的工況下，更是容易引起彈簧截面上由于夾雜、凹陷等原因產(chǎn)生的裂紋擴(kuò)展以至于彈簧失效。
2.氫脆失效
氫脆化是導(dǎo)致彈簧失效的另一個(gè)原因。為了使彈簧的表面防止腐蝕生銹，常在其描邊電鍍錫和鉻等奇數(shù)層。由于彈簧鋼制備的彈性元件的過(guò)程中有酸洗，因此在其界面會(huì)聚集氫原子，導(dǎo)致材料變形時(shí)產(chǎn)生晶粒滑移的現(xiàn)象，以至于氫脆失效。
3.因急劇大變形量而折斷
拉伸彈簧的急劇彎曲，扭簧的轉(zhuǎn)臂也很容易產(chǎn)生很大的變形量，以至于失效。彈性元件彎曲時(shí)，在彎的一側(cè)會(huì)是接觸處的晶粒粘結(jié)在一起，而外側(cè)的晶粒由于大變形量而撕裂，所以彎曲面積減小，同時(shí)彎曲處的殘余應(yīng)力增大，導(dǎo)致彈性元件失效。
4.沖擊失效
彈性元件在收到嚴(yán)重沖擊的時(shí)候，在第2圈和第3圈處容易出現(xiàn)斷裂，因?yàn)檫@輛圈的沖擊載荷沒(méi)有很快的傳遞給下一圈，以至于收到了較大部分的沖擊，發(fā)生了很大的變形。設(shè)計(jì)者應(yīng)合理設(shè)計(jì)這一動(dòng)力效應(yīng)，盡可能避免共振現(xiàn)象，在共振現(xiàn)象發(fā)生時(shí)要采取相應(yīng)的措施。另外，合金鋼相比高碳鋼能承受更高的沖擊載荷。
5.不適當(dāng)熱處理失效
該種失效主要是由于不合理的熱處理制度使鋼絲的一些力學(xué)性能或晶粒間組織結(jié)構(gòu)、晶粒度等達(dá)不到彈性元件的使用要求造成的。部分失效形式不可修復(fù)，如淬火回火工藝在改變材料硬度的同時(shí)，會(huì)使其韌性發(fā)生極大改變；有些失效可以得到彌補(bǔ)，如鋼絲繞簧時(shí)折斷，可以通過(guò)多重加熱、完全退火在淬火的情況下勉強(qiáng)使用，較一次性熱處理效果差很多。
6.偏心載荷失效
當(dāng)作用載荷與彈性元件中心線重合時(shí)，可以延長(zhǎng)彈性元件的使用壽命。當(dāng)產(chǎn)生偏心載荷時(shí)，會(huì)對(duì)彈性元件產(chǎn)生附加的應(yīng)力，降低彈性元件的安全應(yīng)力、變形系數(shù)等，使彈性元件使用壽命縮短。
7.高溫失效
溫度過(guò)高對(duì)彈性元件的影響主要有2方面：一是在高溫下會(huì)降低彈性模量，降低彈性元件的精度；二是高溫可能會(huì)導(dǎo)致彈性元件的永久失效。在判斷彈簧的失效形式是否為高溫失效時(shí)，首先需檢測(cè)其工作環(huán)境的溫度，其次要仔細(xì)觀察彈性元件表面質(zhì)量，如外表出現(xiàn)烏黑的外殼堆積或表面涂層出現(xiàn)褪色現(xiàn)象等均是高溫失效的癥狀。
8.低溫失效
脆性斷裂是典型的低溫失效形式。判別方法同樣考慮以下2點(diǎn)：工作環(huán)境調(diào)查和表面形貌觀察。發(fā)生低溫?cái)嗔训男蚊蔡卣髦饕憩F(xiàn)為斷紋參差不齊，呈鋸齒形。
9.摩擦失效
表面加工質(zhì)量對(duì)彈性元件疲勞強(qiáng)度影響極大。表層脫碳、擦傷或腐蝕均會(huì)降低鋼絲的疲勞強(qiáng)度。在實(shí)際使用過(guò)程中，彈性元件和導(dǎo)向套的過(guò)盈配合，使彈性元件表面質(zhì)量發(fā)生損傷，最終導(dǎo)致疲勞失效情況最為常見(jiàn)。
10.焊接失效
由于某些機(jī)械部件特殊要求必須在彈性元件上焊接金屬部件時(shí)，焊接高溫區(qū)將改變彈簧的晶粒結(jié)構(gòu)，從而破壞彈簧的韌性。因斷裂發(fā)生失效的彈性元件不可重新焊接使用。
11.腐蝕失效
腐蝕現(xiàn)象，對(duì)金屬材料的損傷不容忽視，尤其對(duì)較細(xì)的鋼絲更應(yīng)重視。例如，在淡水腐蝕環(huán)境下，彈簧鋼的持久極限縮短為正常大氣環(huán)境下的10%～25%。從彈簧鋼絲表面的有麻坑可用以鑒別彈性元件的腐蝕狀態(tài)（圖2）。
二、彈性元件失效思考
彈性元件的失效原因主要表現(xiàn)為2種類型：彈性性能失效和彈性元件幾何形狀劣變失效。
1.彈性性能失效
彈性性能失效表現(xiàn)是從外觀來(lái)看沒(méi)有明顯的破壞跡象，而是彈性性能的諸功能參數(shù)和質(zhì)量參數(shù)指標(biāo)明顯超差。包括：載荷-位移特性發(fā)生變化、遲滯變大超差、特性曲線形狀改變；剛度值（靈敏度）明顯改變、超出允差范圍、彈性力超出額定允差范圍、殘余變形超差、不回零等。
彈性性能失效的原因：彈性元件在使用過(guò)程中，由材料性能劣變引起。材料表現(xiàn)出彈性不完善性，出現(xiàn)了應(yīng)力松弛和蠕變。微觀塑性變形和由此產(chǎn)生的彈性元件誤差隨應(yīng)力增加而增大，如果提高材料的彈性極限，鋼材料抵抗微塑性變形的能力也隨之增強(qiáng)。微觀塑性變形隨時(shí)間增長(zhǎng)而增長(zhǎng)，導(dǎo)致彈性元件蠕變。通常，在高溫和大應(yīng)力狀態(tài)下，蠕變會(huì)導(dǎo)致彈性敏感元件的精度下降。微蠕變引起彈性敏感元件的漂移，如彈性張緊元和發(fā)條原動(dòng)機(jī)的應(yīng)力松馳。
環(huán)境或介質(zhì)的溫度適應(yīng)能力差，彈性材料對(duì)溫度變化敏感，溫度變化會(huì)引起彈性模量時(shí)變化和元件尺寸的變化，造成溫度附加誤差，特性發(fā)生改變。
溫度改變?cè)谠牧现幸馃釕?yīng)力，從而使彈性元件剛度發(fā)生變化。彈性性能失效的判定方法是對(duì)元件的功能參數(shù)和質(zhì)量參數(shù)全面檢測(cè)：如載荷—位移特性、剛度、有效面積、非線性度、遲滯、殘余變形、時(shí)漂等全面檢測(cè)與允差比對(duì)判定。
高溫環(huán)境和高溫工作介質(zhì)會(huì)使材料發(fā)生金相組織的變化，使元件強(qiáng)度降低，加速元件的破壞。
2.彈性元件幾何形狀劣變失效
由于彈性元件的功能除取決于制造材料的彈性性能外，還取決于特殊設(shè)計(jì)的元件的幾何形狀和尺寸。如果元件的幾何形狀和尺寸產(chǎn)生不均勻變形，發(fā)生了不允許的永久變形，嚴(yán)重偏離原始規(guī)定位置形狀時(shí)，元件的性能就要發(fā)生變異而失去原有的功能指標(biāo)。這種失效的特點(diǎn)是外觀明顯劣變，工作狀態(tài)明顯不正常均勻變形。用觀測(cè)法和特征數(shù)值檢測(cè)判定其失效。
彈性元件幾何形狀劣變失效的原因有：機(jī)械外力損傷，如劃傷、擠壓、碰撞、不適當(dāng)?shù)陌徇\(yùn)、吊裝、不正常的安裝等，使元件失去原有幾何形狀，失去或降低了應(yīng)有的使用功能。在工況條件下，由于各種原因?qū)е碌氖Х€(wěn)所引起的失效，如位移引起的殘余變形及位移引起的失穩(wěn)等；由于壓力載荷引起的失穩(wěn)；由于工況下存在有位移、壓力載荷同時(shí)作用引起的失穩(wěn)等現(xiàn)象，這些都導(dǎo)致了幾何開(kāi)關(guān)劣變，使工作變形不均勻，而喪失了原有的使用功能，致使可靠性大大降低。這種失效多用幾何形狀劣變的大小來(lái)檢測(cè)，以控制失效的發(fā)生，保證元件的功能在正常條件下工作。
三、疲勞失效機(jī)理的機(jī)理研究
彈性元件產(chǎn)生疲勞斷裂的原因各不相同，歸納起來(lái)可以從內(nèi)因（材料的化學(xué)成分、組織、內(nèi)部缺陷、材料強(qiáng)韌化、材料的選擇及熱處理狀況等）和外因（彈性元件幾何形狀及表面狀態(tài)、裝配與連接、使用環(huán)境因素、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、載荷特性等）2個(gè)方面來(lái)考慮。
金屬?gòu)椥栽谘h(huán)載荷的作用下，即使所受的應(yīng)力低于其材料的屈服強(qiáng)度，斷裂的現(xiàn)象也會(huì)出現(xiàn)，稱為疲勞失效。金屬?gòu)椥栽钠跀嗔堰^(guò)程一般有幾個(gè)階段：滑移、成核、微觀裂紋擴(kuò)展、宏觀裂紋擴(kuò)展和瞬時(shí)斷裂[8]。
當(dāng)軸類機(jī)件拉壓疲勞時(shí)，若表面無(wú)應(yīng)力集中（無(wú)缺口），則裂紋因截面上應(yīng)力均等而沿截面等速擴(kuò)展，貝紋線呈一簇平行的圓弧線。若機(jī)件表面存在應(yīng)力集中（環(huán)形缺口），則因截面表層的應(yīng)力比中間的高，裂紋沿表層的擴(kuò)展快于中間區(qū)；高應(yīng)力時(shí)，瞬斷區(qū)面積相對(duì)較大，疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)面積小，裂紋沿兩邊及中間擴(kuò)展差別不大，貝紋線的形狀為半圓弧形。當(dāng)機(jī)件彎曲疲勞時(shí)，其表面應(yīng)力最大，中心最小，其貝紋線變化與缺口機(jī)件的拉壓疲勞相似，如表面又存在缺口造成應(yīng)力集中，則其變化程度會(huì)更大。若機(jī)件為扭轉(zhuǎn)疲勞時(shí)，其最大正應(yīng)力和軸向呈45°角分布，最大切應(yīng)力垂直或平行軸向分布，故疲勞斷口有2類，一類為正斷型，另一類為切斷型。脆性材料常是正斷型扭轉(zhuǎn)疲勞，常見(jiàn)的有鋸齒狀斷口及星形斷口，呈纖維狀，如花鍵軸的斷口。切應(yīng)力引起的切斷型疲勞斷口，斷面垂直或平行于軸線，此時(shí)不會(huì)出現(xiàn)貝紋線，有時(shí)扭轉(zhuǎn)疲勞也會(huì)出現(xiàn)混合斷裂。
彈性元件所受的載荷應(yīng)力大于材料的疲勞極限時(shí)，定義材料此時(shí)的狀態(tài)為“超載”，小于材料疲勞極限的應(yīng)力稱為“次載”。對(duì)于高周疲勞，增大應(yīng)力則會(huì)出現(xiàn)：容易產(chǎn)生多個(gè)裂紋；疲勞條帶之間的距離增大；最終瞬斷區(qū)的面積增大。而金屬在低于疲勞極限的應(yīng)力下先運(yùn)轉(zhuǎn)一定次數(shù)后，則可以提高疲勞極限，這種次載荷強(qiáng)化作用稱為次載鍛煉。這種現(xiàn)象可能是應(yīng)力應(yīng)變循環(huán)產(chǎn)生的硬化及局部應(yīng)力集中松弛的結(jié)果。不同彈性元件在工作時(shí)具有不同的載荷頻率，載荷頻率在一定范圍內(nèi)可以提高疲勞強(qiáng)度，這可能和每一周次的塑性應(yīng)變累積損傷量不同有關(guān)。
結(jié)構(gòu)鋼制備的彈性元件的疲勞強(qiáng)度最高。鑄鐵，特別是球墨鑄鐵，具有足夠的強(qiáng)度和極小的缺口敏感性，因此具有較好的疲勞性能。而非金屬夾雜物、疏松、偏析等缺陷均使材料的疲勞抗力降低。因此，金屬材料的組織不均勻性及其組織狀態(tài)不良，材料選用不當(dāng)或在生產(chǎn)過(guò)程中由于管理不善而錯(cuò)用材料是造成疲勞斷裂的很重要原因。
德國(guó)的W·A·艾伯特[9]是首先進(jìn)行疲勞試驗(yàn)的研究人員，法國(guó)的J·V·彭賽列首先提出“疲勞”這一術(shù)語(yǔ)并論述了疲勞問(wèn)題[10]。19世紀(jì)五六十年代，A·沃勒得到了第一條表征疲勞性能的S-N曲線并首次提出疲勞極限的概念[11]，是疲勞研究的奠基人。P·J·E.福賽思在20世紀(jì)50年代首先觀察滑移帶內(nèi)到疲勞過(guò)程中在有金屬薄片擠出[12]。后來(lái)證明，駐留滑移帶是裂紋源最主要的原因。在1924年，德國(guó)的J·V·帕姆戈倫提出軸承的累積損傷與其轉(zhuǎn)動(dòng)次數(shù)成線性關(guān)系這一假設(shè)[13]。1945年，美國(guó)的M·A·邁因納則明確提出了疲勞破壞的線性損傷累積理論[14]，即帕姆戈倫.邁因納定律。在20世紀(jì)20年代，概率統(tǒng)計(jì)方法開(kāi)始被用來(lái)處理疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)[15-17]。20世紀(jì)60年代末，國(guó)外疲勞機(jī)理的研究得到了很大發(fā)展[18-23]。材料疲勞特性的研究成果也被快速應(yīng)用到工程設(shè)計(jì)中，發(fā)生了巨變，在國(guó)外，疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)被廣泛應(yīng)用到汽車、飛機(jī)、海洋工程、電站設(shè)備、壓力容器和原子能工程等眾多領(lǐng)域[24-26]，而傳統(tǒng)的類比強(qiáng)度或靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)逐漸取代。雖然人們?cè)谄谔匦缘难芯可喜粩嗳〉眯碌倪M(jìn)展，但對(duì)疲勞斷裂規(guī)律及內(nèi)在本質(zhì)認(rèn)為完全掌握，因此還不能完全預(yù)防因疲勞失效引起的重大災(zāi)難性事故的發(fā)生。在歐美國(guó)家中，疲勞研究得到很大的重視。例如，德國(guó)建立的材料試驗(yàn)所（站）多達(dá)500個(gè)，主要進(jìn)行各種材料組織以及力學(xué)性能的研究，尤其代表性的是斯圖加特大學(xué)國(guó)立材料試驗(yàn)所（NMPA），規(guī)模有兩百多人，而二戰(zhàn)結(jié)束時(shí)他們只有幾個(gè)人。每年的研究經(jīng)費(fèi)有數(shù)億馬克，是西歐的設(shè)備和材料的研究中心。我國(guó)由國(guó)家科技部組織提出多個(gè)重大項(xiàng)目，參加研究的單位包括北京科技大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院、西安交通大學(xué)、天津大學(xué)、華中科技大學(xué)、清華大學(xué)等[27]。
提高金屬?gòu)椥栽钠诳沽κ欠乐沽慵l(fā)生疲勞斷裂的根本措施，工程上常采用以下幾種辦法來(lái)提高零件的疲勞抗力。
一是降低作用于零件危險(xiǎn)部位上的實(shí)際應(yīng)力，當(dāng)零件表面存在缺陷、表面粗糙及表面有應(yīng)力集中時(shí)，都會(huì)加速裂紋的萌生。因此，設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量避免應(yīng)力集中，如避免復(fù)雜的型面、注意截面尺寸的圓滑過(guò)渡，防止表面的損傷和裂紋，同時(shí)使表面的光潔程度盡量提高；保證制備過(guò)程中的質(zhì)量，避免選用缺口零件及對(duì)缺口敏感的材料：結(jié)構(gòu)中的殘余應(yīng)力會(huì)疊加在工作應(yīng)力上，增加總的應(yīng)力水平。尤其是復(fù)雜的焊接結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)不當(dāng)或焊接工藝不良都會(huì)引起較大的焊接殘余應(yīng)力，這往往是造成疲勞失效的重要原因，因此，在結(jié)構(gòu)允許的情況下，焊后應(yīng)進(jìn)行去應(yīng)力退火以消除殘余應(yīng)力。
二是采用滾壓或噴丸使表面強(qiáng)化。滾壓強(qiáng)化工藝適用于軸類及圓形彈性元件，各種缺口或溝槽的圓角根部，它不適合于形狀復(fù)雜的彈性元件。缺口滾壓后其疲勞極限大幅度提高，有的甚至比未滾壓的光滑試樣強(qiáng)度還高。噴丸強(qiáng)化工藝在滲碳淬火后的齒輪，鋼板彈簧等彈性元件中得到了廣泛的應(yīng)用。檢測(cè)時(shí)，使被測(cè)件處在工況實(shí)際額定變形位移和額定試驗(yàn)載荷的作用下，實(shí)測(cè)幾何形狀的增量及百分率值與規(guī)定的允許值做比較，判定失穩(wěn)是否發(fā)生。
四、彈性元件應(yīng)力松弛的研究現(xiàn)狀
在恒定的應(yīng)變條件下，金屬材料或元件的應(yīng)力隨時(shí)間延續(xù)而減小的現(xiàn)象稱為應(yīng)力松弛。它是一種相當(dāng)普遍存在的現(xiàn)象，不僅存在于由金屬材料制造的彈性元件或構(gòu)件中（如各種彈簧、張絲、膜片及緊固件等），也存在于由非金屬制造的構(gòu)件中。應(yīng)力松弛現(xiàn)象是彈簧和彈性元件的一個(gè)重要失效形式。
很多的設(shè)備制造商都將金屬?gòu)椥栽乃沙谛阅茏鳛樽钪匾募夹g(shù)指標(biāo)，例如[28]：①發(fā)動(dòng)機(jī)的氣門(mén)彈簧；②機(jī)械制造業(yè)常用的溢流閥安全彈簧；③真空設(shè)備和加熱系統(tǒng)等電器用具彈簧；④家中常用的電器和建筑設(shè)備上用的彈簧；⑤以及核反應(yīng)堆的燃料棒、新型轉(zhuǎn)子機(jī)以及裝備的打火系統(tǒng)和飛機(jī)發(fā)射器座彈簧[29-33]。
可見(jiàn)，研究應(yīng)力松弛的變化規(guī)律、探求其本質(zhì)及其影響因素、尋求有效的預(yù)防技術(shù)，對(duì)提高基礎(chǔ)件的質(zhì)量、延長(zhǎng)它們的使用壽命、節(jié)約特殊鋼及合金的消耗、使整套設(shè)備運(yùn)行時(shí)安全可靠、充分發(fā)揮其生產(chǎn)效率等，都具有重要的理論和實(shí)際意義。
五、彈簧行業(yè)現(xiàn)狀
彈簧是各類機(jī)電產(chǎn)品配套和維修的重要機(jī)械基礎(chǔ)件，廣泛應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)部門(mén)。彈簧工業(yè)是基礎(chǔ)件工業(yè)之一，主要應(yīng)用于汽車、農(nóng)機(jī)、內(nèi)燃機(jī)、摩托車、煤炭、冶礦、電力和各種機(jī)械等行業(yè)，詳見(jiàn)圖3所示。
目前，中國(guó)已經(jīng)建立了數(shù)10個(gè)專業(yè)彈簧研究所，成規(guī)模的彈簧生產(chǎn)企業(yè)多達(dá)700余家，從業(yè)人員超過(guò)了80 000人。彈簧的產(chǎn)品形式多大20多類、2 000余種，年產(chǎn)量多達(dá)40億件，年產(chǎn)值達(dá)百億元。但國(guó)產(chǎn)彈簧質(zhì)量與國(guó)外差距較大，導(dǎo)致對(duì)外出口量很小，因此其銷售市場(chǎng)以國(guó)內(nèi)為主。
目前，我國(guó)的彈簧生產(chǎn)主要分布在浙江、江蘇、上海、廣東等地區(qū)。從2010年我國(guó)彈簧生產(chǎn)企業(yè)區(qū)域統(tǒng)計(jì)圖（圖4）中可以看出，我國(guó)彈簧生產(chǎn)企業(yè)主要集中分布在華東和中南地區(qū)，比例為38.5%和29.0%，2個(gè)地區(qū)比例之和占據(jù)國(guó)內(nèi)整個(gè)市場(chǎng)的60%以上；華北地區(qū)，比例為12.0%；而西南、東北和西北地區(qū)比例相對(duì)較少，分別為7.0%、8.0%和5.5%。
在20世紀(jì)80年代末，彈簧行業(yè)在汽車與電器行業(yè)的發(fā)展帶動(dòng)下，逐漸進(jìn)入了高速發(fā)展階段。但出口數(shù)量占銷售額總量的比例很小。由于近年來(lái)汽車制造行業(yè)、電器制造行業(yè)得到較大的發(fā)展，彈簧行業(yè)得到了很大的發(fā)展。但亞洲金融危機(jī)以及近年來(lái)的全球次貸危機(jī)的影響，市場(chǎng)需求量大大減少，以汽車制造行業(yè)為例，年產(chǎn)量從預(yù)計(jì)的100萬(wàn)減少到實(shí)際生產(chǎn)的55萬(wàn)，因此零部件廠商運(yùn)營(yíng)困難，生產(chǎn)力減半甚至停工，導(dǎo)致設(shè)備空耗。
在我國(guó)，由于大多數(shù)廠家的彈簧生產(chǎn)設(shè)備相對(duì)落后，尤其是檢測(cè)設(shè)備與檢測(cè)試驗(yàn)設(shè)備的落后，導(dǎo)致國(guó)內(nèi)難以成產(chǎn)出高精度要求且種類齊全的彈簧產(chǎn)品，部分必需高性能彈簧產(chǎn)品，高品質(zhì)高性能的彈性元件還是依賴于國(guó)外進(jìn)口。
六、結(jié)語(yǔ)
我國(guó)彈簧產(chǎn)品未來(lái)的競(jìng)爭(zhēng)將從價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)轉(zhuǎn)向技術(shù)實(shí)力和質(zhì)量的競(jìng)爭(zhēng)。彈簧產(chǎn)品要求越來(lái)越高，行業(yè)平均利潤(rùn)越來(lái)越低，價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)的空間越來(lái)越小，無(wú)法再以降價(jià)的辦法爭(zhēng)取到市場(chǎng)，所以，企業(yè)將以技術(shù)和質(zhì)量競(jìng)爭(zhēng)贏得市場(chǎng)。但在市場(chǎng)沒(méi)有達(dá)到規(guī)范化之前，價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)仍將是贏得市場(chǎng)的一種重要手段。從長(zhǎng)遠(yuǎn)角度來(lái)看，我國(guó)的彈簧行業(yè)企業(yè)應(yīng)視自身情況采取具體行動(dòng)，如與國(guó)外企業(yè)聯(lián)營(yíng)、引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)技術(shù)等，以提高產(chǎn)品質(zhì)量，增強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)能力，創(chuàng)知名品牌，擴(kuò)大產(chǎn)品在國(guó)際上的影響力，搶占更大的國(guó)際市場(chǎng)份額，達(dá)到加大出口力度的目的。
參考文獻(xiàn)
[1] 余夢(mèng)生，吳宗澤.機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1996.150-167.
[2] 樊大鈞，劉廣玉.新型彈性敏感元件設(shè)計(jì)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1995.5.92-105.
[3] 張英會(huì)，劉輝航，王得成.彈簧手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.7.64-130.
[4] 劉輝航，浦增玲.模具彈簧的應(yīng)用發(fā)展和前景展望[J].彈簧工程，1992（3）：2-3.
[5] 翁善臣，林友德.儀表彈性元件設(shè)計(jì)基礎(chǔ)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1982.2.19-35.
[6] 趙發(fā)忠.我國(guó)彈簧鋼絲生產(chǎn)現(xiàn)狀及發(fā)展策略[J].金屬制品，2004，30（2）：1-2.
[7] 陳復(fù)民.彈性合金[M].上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1986：120-128.
[8] Hartranft R J，Sih G C.In Methods of Analysis of Crock problem[J].International Journal of Fracture，1987，32：179-238.
[9] Yamata N，Inukai T，Okuda J.Efeet of Surface Finishing on Fatigue Strength of Spring Steel[J]，1979，28（305）：27-35.
[10] Satoh H.Influence of Surface Flaw on Fatigue Life of Valve Springs[J].Wire Journal Internation al，1995.28（3）：120-125.
[11] Murakami Y，Usuki H.Quantitative Evaluation of Efects of NonMetallic Inclusions on Fatigue Strength of High Strength Steelsll[J].Fatigue Limit Evaluation Based on Statistics for Extreme Values of Inclusion Size，International Journal of Fatigue Volume 11，Issue 5，September 1989，291-298.
[12] Kurihara.Fatigue Strength Prediction of Automobile Suspension Spring Stels Explicit Analysis of Nonmetallic Inclusion[J].Mitsubishi Steel Manufacturing Technical Review，1991，25（12）：13-24.
[13] Melander A.The Efect of Stress Amplitude on The Cause of Fatigue Crack[J]，1999，9（3）：25-28.
[14] Melander A，Larsson M.The effect of stress amplitude on the cause of fatigue crack initiation in a spring steel. International Joumal of Fatigue，1993，15（2）：119-13l.
[15] 高鎮(zhèn)同，熊峻江.疲勞/斷裂可靠性研究現(xiàn)狀與展望[J].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1995：6l-82.
[16] 董聰.疲勞壽命分白模型的統(tǒng)一描述[J].強(qiáng)度與環(huán)境，1996，15（3）：1-7，53.
[17] 熊峻江，王三平.疲勞壽命估算的能量法及其研究[J].力學(xué)學(xué)報(bào)，2000，32（4）：420-427.
[18] M Klesnil，P Rys.Precipitation In Low-Carbon Steel Under Cyclic Loading[J].Metal Treatment.1961，6（5）：367-380.
[19] Du Baiping，Li Nian.Factors Influencing The Effective Fatigue Threshold.Int J Fatigue[J].1987，9（1）：43-49.
[20] Lino Y.Local Fatigue Damage Accumulation Around Notch Attending Crack Initiation.Metal Trans[J].1995，26（6）：1419-1430.
[21] Langley R S.Stochastic Models of Fatigue crack Gowth[J].Engng.Fract.Mech.1989：32（1）：137-145.
[22] Du Baiping，Li Nian.Relation Between Fatigue Threshold And Fatigue Limit For Surface Rolled Specimens[J].Int J Fatigue.1992，6：403-409.
[23] Li Nian.Du Baiping.The Effect of Low-Stress High Cycle Fatigue on The Microstructure And Fatigue Threshold of A40Cr Steel[J].Int J Fatigue，1995，17（1）：43-48.
[24] Li Nian.Du Baiping.Effeet of Monotonie And Cycle Pre.Strain on The Fatigue Threshold In Medium Carbon Steels[J].International Journal of Fatigue Volume 14，Issue 1，January 1992，41-44
[25] Wang Tiejun.Micro-And Macrocopic Damage And Fracture Behaviour of Welding Coarse Grain Heat Affected Zone of A Low Alloy Steel-Mechanisms And Modeling[J].Engng Fract Mechs，1993，45（6）：799-812.
[26] Surech S.Fatigue of Materials[M].Cambridge：Cambridge University Press，1991：324-327.
[27] 楊潤(rùn)平.機(jī)車軸箱彈簧的質(zhì)量分析與控制[J].內(nèi)燃機(jī)車，1998，11（8）：44-45.
[28] 合金鋼編寫(xiě)組.合金鋼[J]，北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1976：90-105.
[29] 崔昆.鋼鐵材料及有色金屬材料[J].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1980：95-102.
[30] 章守華.鋼鐵材料學(xué)[J].北京：冶金工業(yè)出版社，1992：42-58.
[31] 王可勇.金屬熱處理[J].北京：中國(guó)水利水電出版社，1978：1-9.
[32] 西村富隆.模具材料及其熱處理譯文集[M].北京：《兵器材料與力學(xué)》編輯部，1979：45-54.
[33] 安希墉.熱處理手冊(cè)[J].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1990（4）：37-45.
猜你喜歡
抽水蓄能電站發(fā)電電動(dòng)機(jī)新型定子彈性元件安裝水電站機(jī)電技術(shù)(2023年11期)2023-11-29 01:56:14 為什么橡膠有彈性?軍事文摘(2021年18期)2021-12-02 01:28:12 為什么橡膠有彈性？軍事文摘·科學(xué)少年(2021年9期)2021-10-13 06:05:13 析彈簧模型 悟三個(gè)性質(zhì)中學(xué)生數(shù)理化(高中版.高考理化)(2021年1期)2021-03-19 08:51:52 彈性元件式一般壓力表檢定過(guò)程中幾個(gè)問(wèn)題的探討裝備制造技術(shù)(2020年9期)2021-01-26 00:15:14 注重低頻的細(xì)節(jié)與彈性 KEF KF92家庭影院技術(shù)(2020年2期)2020-03-25 13:27:42 彈性?shī)A箍折彎模的改進(jìn)模具制造(2019年4期)2019-06-24 03:36:40 如何求串聯(lián)彈簧和并聯(lián)彈簧的勁度系數(shù)新高考·高一物理(2016年10期)2017-07-07 12:17:11 彈性元件的機(jī)械阻抗理論研究河北農(nóng)機(jī)(2017年4期)2017-02-26 01:54:46 時(shí)間彈簧文學(xué)少年(有聲彩繪)(2016年11期)2016-02-28 17:52:30
張躍 丁一 趙雷超 彭道勇
利用材料的彈性特性來(lái)完成各種功能的元件，稱為彈性元件。彈性元件也可泛稱彈簧，它在負(fù)荷作用下產(chǎn)生彈性變形，去掉負(fù)荷仍能恢復(fù)原來(lái)的幾何尺寸和形狀。彈性元件有多種分類方式，按照受力變形可分為：彎曲彈簧/拉伸彈簧、壓縮彈簧和扭轉(zhuǎn)彈簧；按照彈簧幾何形狀可分為：螺旋彈簧、片簧、蝸卷彈簧（游絲與發(fā)條）、蝶形彈簧和環(huán)形彈簧；電氣開(kāi)關(guān)和儀器儀表中使用的有熱敏雙金屬片簧、膜片、膜盒、彈簧管、波紋管、張絲、吊絲等。最常見(jiàn)的彈性元件是片簧、平面渦卷簧、螺旋彈簧、壓力彈簧管、波紋管、膜片。
彈性元件能夠完成變換、隔離、密封、補(bǔ)償、儲(chǔ)能和連接等各種不同的功能[1，2]。由于它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造容易、價(jià)格低廉、種類繁多，故應(yīng)用極為廣泛[3，4]。機(jī)器、電氣元件、許多儀器儀表和生活用具都要應(yīng)用彈性元件巧妙地完成其重要的功能。在一些儀器儀表中，彈性元件是主要的基礎(chǔ)元件之一，特別是以它作為敏感元件時(shí)，其質(zhì)量直接影響儀器儀表的可靠性和工作精度。各種彈性元件利用各自的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、不同的制造材料和變形來(lái)完成不同的功能。
彈性元件在工作中具有2種基本效應(yīng)：彈性效應(yīng)和非彈性效應(yīng)。所謂彈性效應(yīng)，是指彈性元件的變形僅僅是由于受載荷的影響所表現(xiàn)出來(lái)的性質(zhì)，其具體參數(shù)為體現(xiàn)載荷和變形的剛度和靈敏度；而非彈性效應(yīng)是指彈性元件的變形受其他因素（時(shí)間、溫度、材料性質(zhì)等）的影響所表現(xiàn)出來(lái)的性質(zhì)，如彈性滯后、彈性后效和松弛等；溫度變化能使彈性元件的彈性模量和幾何尺寸產(chǎn)生變化。彈性元件在工作中體現(xiàn)的彈性效應(yīng)稱為使用特性；非彈性效應(yīng)則使彈性元件產(chǎn)生工作誤差，稱為彈性誤差。彈性誤差影響工作精度和工作可靠性，是力求限制的有害性質(zhì)。
載荷和位移之間的關(guān)系曲線稱為彈性元件的特性線（圖1），主要有直線型特性線、漸增型特性線和漸減型特性線3種。
彈性元件是在較高的應(yīng)力下工作，材料表面受力最大，彈性元件材料的綜合力學(xué)性能和材料表面質(zhì)量，直接影響到彈性元件質(zhì)量。保證和提高彈性元件材料力學(xué)性能和物理化學(xué)性能，是確保彈性元件正常工作的關(guān)鍵。金屬?gòu)椥栽墓r決定對(duì)其材料性能的要求[1-5]。常用的性能是應(yīng)力和彈性，工作常態(tài)是交變應(yīng)力，所以要求材料有很高的疲勞極限。在高溫條件和高壓條件下使用的金屬?gòu)椥栽瑢?duì)其抗熱變形和抗蠕變性能要求很高，而在低溫條件下使用的金屬?gòu)椥栽?，則要求其避免冷脆性。
彈性元件的制備工藝決定彈性元件的質(zhì)量，加工工藝和熱處理工藝影響彈性元件的彈性和工況下的性能。但彈性元件在使用過(guò)程中，往往因質(zhì)量不高、嚴(yán)重失效，引起機(jī)械故障。研究彈性元件失效的規(guī)律和機(jī)理，探索防止彈性元件失效事故的發(fā)生，是材料和設(shè)計(jì)工作者一個(gè)長(zhǎng)期而又艱巨的任務(wù)。本文針對(duì)彈性元件失效的主要研究方向，闡述其目前研究狀況，并進(jìn)行粗略的分析，提出解決方案。
一、彈性元件失效形式
彈性元件在其使用的各個(gè)環(huán)節(jié)都是很重要的組件，它的失效將直接導(dǎo)致很多事故甚至災(zāi)難的發(fā)生[6]。疲勞和應(yīng)力松弛是金屬?gòu)椥栽У闹匾?，此外還有氫脆、冷脆、彎曲變形、摩擦變形、沖擊、偏心載荷、焊接、刀痕、腐蝕等因素。金屬?gòu)椥栽氖Э赡苁怯善渲幸环N原因?qū)е率?，也可能是在多因素同時(shí)作用下導(dǎo)致失效[7]。
1.疲勞失效
彈簧的應(yīng)力內(nèi)側(cè)最高而外側(cè)最低，因此彈簧會(huì)由于大量的變形導(dǎo)致彈簧的疲勞失效，尤其在長(zhǎng)時(shí)間多次往復(fù)載荷的工況下，更是容易引起彈簧截面上由于夾雜、凹陷等原因產(chǎn)生的裂紋擴(kuò)展以至于彈簧失效。
2.氫脆失效
氫脆化是導(dǎo)致彈簧失效的另一個(gè)原因。為了使彈簧的表面防止腐蝕生銹，常在其描邊電鍍錫和鉻等奇數(shù)層。由于彈簧鋼制備的彈性元件的過(guò)程中有酸洗，因此在其界面會(huì)聚集氫原子，導(dǎo)致材料變形時(shí)產(chǎn)生晶粒滑移的現(xiàn)象，以至于氫脆失效。
3.因急劇大變形量而折斷
拉伸彈簧的急劇彎曲，扭簧的轉(zhuǎn)臂也很容易產(chǎn)生很大的變形量，以至于失效。彈性元件彎曲時(shí)，在彎的一側(cè)會(huì)是接觸處的晶粒粘結(jié)在一起，而外側(cè)的晶粒由于大變形量而撕裂，所以彎曲面積減小，同時(shí)彎曲處的殘余應(yīng)力增大，導(dǎo)致彈性元件失效。
4.沖擊失效
彈性元件在收到嚴(yán)重沖擊的時(shí)候，在第2圈和第3圈處容易出現(xiàn)斷裂，因?yàn)檫@輛圈的沖擊載荷沒(méi)有很快的傳遞給下一圈，以至于收到了較大部分的沖擊，發(fā)生了很大的變形。設(shè)計(jì)者應(yīng)合理設(shè)計(jì)這一動(dòng)力效應(yīng)，盡可能避免共振現(xiàn)象，在共振現(xiàn)象發(fā)生時(shí)要采取相應(yīng)的措施。另外，合金鋼相比高碳鋼能承受更高的沖擊載荷。
5.不適當(dāng)熱處理失效
該種失效主要是由于不合理的熱處理制度使鋼絲的一些力學(xué)性能或晶粒間組織結(jié)構(gòu)、晶粒度等達(dá)不到彈性元件的使用要求造成的。部分失效形式不可修復(fù)，如淬火回火工藝在改變材料硬度的同時(shí)，會(huì)使其韌性發(fā)生極大改變；有些失效可以得到彌補(bǔ)，如鋼絲繞簧時(shí)折斷，可以通過(guò)多重加熱、完全退火在淬火的情況下勉強(qiáng)使用，較一次性熱處理效果差很多。
6.偏心載荷失效
當(dāng)作用載荷與彈性元件中心線重合時(shí)，可以延長(zhǎng)彈性元件的使用壽命。當(dāng)產(chǎn)生偏心載荷時(shí)，會(huì)對(duì)彈性元件產(chǎn)生附加的應(yīng)力，降低彈性元件的安全應(yīng)力、變形系數(shù)等，使彈性元件使用壽命縮短。
7.高溫失效
溫度過(guò)高對(duì)彈性元件的影響主要有2方面：一是在高溫下會(huì)降低彈性模量，降低彈性元件的精度；二是高溫可能會(huì)導(dǎo)致彈性元件的永久失效。在判斷彈簧的失效形式是否為高溫失效時(shí)，首先需檢測(cè)其工作環(huán)境的溫度，其次要仔細(xì)觀察彈性元件表面質(zhì)量，如外表出現(xiàn)烏黑的外殼堆積或表面涂層出現(xiàn)褪色現(xiàn)象等均是高溫失效的癥狀。
8.低溫失效
脆性斷裂是典型的低溫失效形式。判別方法同樣考慮以下2點(diǎn)：工作環(huán)境調(diào)查和表面形貌觀察。發(fā)生低溫?cái)嗔训男蚊蔡卣髦饕憩F(xiàn)為斷紋參差不齊，呈鋸齒形。
9.摩擦失效
表面加工質(zhì)量對(duì)彈性元件疲勞強(qiáng)度影響極大。表層脫碳、擦傷或腐蝕均會(huì)降低鋼絲的疲勞強(qiáng)度。在實(shí)際使用過(guò)程中，彈性元件和導(dǎo)向套的過(guò)盈配合，使彈性元件表面質(zhì)量發(fā)生損傷，最終導(dǎo)致疲勞失效情況最為常見(jiàn)。
10.焊接失效
由于某些機(jī)械部件特殊要求必須在彈性元件上焊接金屬部件時(shí)，焊接高溫區(qū)將改變彈簧的晶粒結(jié)構(gòu)，從而破壞彈簧的韌性。因斷裂發(fā)生失效的彈性元件不可重新焊接使用。
11.腐蝕失效
腐蝕現(xiàn)象，對(duì)金屬材料的損傷不容忽視，尤其對(duì)較細(xì)的鋼絲更應(yīng)重視。例如，在淡水腐蝕環(huán)境下，彈簧鋼的持久極限縮短為正常大氣環(huán)境下的10%～25%。從彈簧鋼絲表面的有麻坑可用以鑒別彈性元件的腐蝕狀態(tài)（圖2）。
二、彈性元件失效思考
彈性元件的失效原因主要表現(xiàn)為2種類型：彈性性能失效和彈性元件幾何形狀劣變失效。
1.彈性性能失效
彈性性能失效表現(xiàn)是從外觀來(lái)看沒(méi)有明顯的破壞跡象，而是彈性性能的諸功能參數(shù)和質(zhì)量參數(shù)指標(biāo)明顯超差。包括：載荷-位移特性發(fā)生變化、遲滯變大超差、特性曲線形狀改變；剛度值（靈敏度）明顯改變、超出允差范圍、彈性力超出額定允差范圍、殘余變形超差、不回零等。
彈性性能失效的原因：彈性元件在使用過(guò)程中，由材料性能劣變引起。材料表現(xiàn)出彈性不完善性，出現(xiàn)了應(yīng)力松弛和蠕變。微觀塑性變形和由此產(chǎn)生的彈性元件誤差隨應(yīng)力增加而增大，如果提高材料的彈性極限，鋼材料抵抗微塑性變形的能力也隨之增強(qiáng)。微觀塑性變形隨時(shí)間增長(zhǎng)而增長(zhǎng)，導(dǎo)致彈性元件蠕變。通常，在高溫和大應(yīng)力狀態(tài)下，蠕變會(huì)導(dǎo)致彈性敏感元件的精度下降。微蠕變引起彈性敏感元件的漂移，如彈性張緊元和發(fā)條原動(dòng)機(jī)的應(yīng)力松馳。
環(huán)境或介質(zhì)的溫度適應(yīng)能力差，彈性材料對(duì)溫度變化敏感，溫度變化會(huì)引起彈性模量時(shí)變化和元件尺寸的變化，造成溫度附加誤差，特性發(fā)生改變。
溫度改變?cè)谠牧现幸馃釕?yīng)力，從而使彈性元件剛度發(fā)生變化。彈性性能失效的判定方法是對(duì)元件的功能參數(shù)和質(zhì)量參數(shù)全面檢測(cè)：如載荷—位移特性、剛度、有效面積、非線性度、遲滯、殘余變形、時(shí)漂等全面檢測(cè)與允差比對(duì)判定。
高溫環(huán)境和高溫工作介質(zhì)會(huì)使材料發(fā)生金相組織的變化，使元件強(qiáng)度降低，加速元件的破壞。
2.彈性元件幾何形狀劣變失效
由于彈性元件的功能除取決于制造材料的彈性性能外，還取決于特殊設(shè)計(jì)的元件的幾何形狀和尺寸。如果元件的幾何形狀和尺寸產(chǎn)生不均勻變形，發(fā)生了不允許的永久變形，嚴(yán)重偏離原始規(guī)定位置形狀時(shí)，元件的性能就要發(fā)生變異而失去原有的功能指標(biāo)。這種失效的特點(diǎn)是外觀明顯劣變，工作狀態(tài)明顯不正常均勻變形。用觀測(cè)法和特征數(shù)值檢測(cè)判定其失效。
彈性元件幾何形狀劣變失效的原因有：機(jī)械外力損傷，如劃傷、擠壓、碰撞、不適當(dāng)?shù)陌徇\(yùn)、吊裝、不正常的安裝等，使元件失去原有幾何形狀，失去或降低了應(yīng)有的使用功能。在工況條件下，由于各種原因?qū)е碌氖Х€(wěn)所引起的失效，如位移引起的殘余變形及位移引起的失穩(wěn)等；由于壓力載荷引起的失穩(wěn)；由于工況下存在有位移、壓力載荷同時(shí)作用引起的失穩(wěn)等現(xiàn)象，這些都導(dǎo)致了幾何開(kāi)關(guān)劣變，使工作變形不均勻，而喪失了原有的使用功能，致使可靠性大大降低。這種失效多用幾何形狀劣變的大小來(lái)檢測(cè)，以控制失效的發(fā)生，保證元件的功能在正常條件下工作。
三、疲勞失效機(jī)理的機(jī)理研究
彈性元件產(chǎn)生疲勞斷裂的原因各不相同，歸納起來(lái)可以從內(nèi)因（材料的化學(xué)成分、組織、內(nèi)部缺陷、材料強(qiáng)韌化、材料的選擇及熱處理狀況等）和外因（彈性元件幾何形狀及表面狀態(tài)、裝配與連接、使用環(huán)境因素、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、載荷特性等）2個(gè)方面來(lái)考慮。
金屬?gòu)椥栽谘h(huán)載荷的作用下，即使所受的應(yīng)力低于其材料的屈服強(qiáng)度，斷裂的現(xiàn)象也會(huì)出現(xiàn)，稱為疲勞失效。金屬?gòu)椥栽钠跀嗔堰^(guò)程一般有幾個(gè)階段：滑移、成核、微觀裂紋擴(kuò)展、宏觀裂紋擴(kuò)展和瞬時(shí)斷裂[8]。
當(dāng)軸類機(jī)件拉壓疲勞時(shí)，若表面無(wú)應(yīng)力集中（無(wú)缺口），則裂紋因截面上應(yīng)力均等而沿截面等速擴(kuò)展，貝紋線呈一簇平行的圓弧線。若機(jī)件表面存在應(yīng)力集中（環(huán)形缺口），則因截面表層的應(yīng)力比中間的高，裂紋沿表層的擴(kuò)展快于中間區(qū)；高應(yīng)力時(shí)，瞬斷區(qū)面積相對(duì)較大，疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)面積小，裂紋沿兩邊及中間擴(kuò)展差別不大，貝紋線的形狀為半圓弧形。當(dāng)機(jī)件彎曲疲勞時(shí)，其表面應(yīng)力最大，中心最小，其貝紋線變化與缺口機(jī)件的拉壓疲勞相似，如表面又存在缺口造成應(yīng)力集中，則其變化程度會(huì)更大。若機(jī)件為扭轉(zhuǎn)疲勞時(shí)，其最大正應(yīng)力和軸向呈45°角分布，最大切應(yīng)力垂直或平行軸向分布，故疲勞斷口有2類，一類為正斷型，另一類為切斷型。脆性材料常是正斷型扭轉(zhuǎn)疲勞，常見(jiàn)的有鋸齒狀斷口及星形斷口，呈纖維狀，如花鍵軸的斷口。切應(yīng)力引起的切斷型疲勞斷口，斷面垂直或平行于軸線，此時(shí)不會(huì)出現(xiàn)貝紋線，有時(shí)扭轉(zhuǎn)疲勞也會(huì)出現(xiàn)混合斷裂。
彈性元件所受的載荷應(yīng)力大于材料的疲勞極限時(shí)，定義材料此時(shí)的狀態(tài)為“超載”，小于材料疲勞極限的應(yīng)力稱為“次載”。對(duì)于高周疲勞，增大應(yīng)力則會(huì)出現(xiàn)：容易產(chǎn)生多個(gè)裂紋；疲勞條帶之間的距離增大；最終瞬斷區(qū)的面積增大。而金屬在低于疲勞極限的應(yīng)力下先運(yùn)轉(zhuǎn)一定次數(shù)后，則可以提高疲勞極限，這種次載荷強(qiáng)化作用稱為次載鍛煉。這種現(xiàn)象可能是應(yīng)力應(yīng)變循環(huán)產(chǎn)生的硬化及局部應(yīng)力集中松弛的結(jié)果。不同彈性元件在工作時(shí)具有不同的載荷頻率，載荷頻率在一定范圍內(nèi)可以提高疲勞強(qiáng)度，這可能和每一周次的塑性應(yīng)變累積損傷量不同有關(guān)。
結(jié)構(gòu)鋼制備的彈性元件的疲勞強(qiáng)度最高。鑄鐵，特別是球墨鑄鐵，具有足夠的強(qiáng)度和極小的缺口敏感性，因此具有較好的疲勞性能。而非金屬夾雜物、疏松、偏析等缺陷均使材料的疲勞抗力降低。因此，金屬材料的組織不均勻性及其組織狀態(tài)不良，材料選用不當(dāng)或在生產(chǎn)過(guò)程中由于管理不善而錯(cuò)用材料是造成疲勞斷裂的很重要原因。
德國(guó)的W·A·艾伯特[9]是首先進(jìn)行疲勞試驗(yàn)的研究人員，法國(guó)的J·V·彭賽列首先提出“疲勞”這一術(shù)語(yǔ)并論述了疲勞問(wèn)題[10]。19世紀(jì)五六十年代，A·沃勒得到了第一條表征疲勞性能的S-N曲線并首次提出疲勞極限的概念[11]，是疲勞研究的奠基人。P·J·E.福賽思在20世紀(jì)50年代首先觀察滑移帶內(nèi)到疲勞過(guò)程中在有金屬薄片擠出[12]。后來(lái)證明，駐留滑移帶是裂紋源最主要的原因。在1924年，德國(guó)的J·V·帕姆戈倫提出軸承的累積損傷與其轉(zhuǎn)動(dòng)次數(shù)成線性關(guān)系這一假設(shè)[13]。1945年，美國(guó)的M·A·邁因納則明確提出了疲勞破壞的線性損傷累積理論[14]，即帕姆戈倫.邁因納定律。在20世紀(jì)20年代，概率統(tǒng)計(jì)方法開(kāi)始被用來(lái)處理疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)[15-17]。20世紀(jì)60年代末，國(guó)外疲勞機(jī)理的研究得到了很大發(fā)展[18-23]。材料疲勞特性的研究成果也被快速應(yīng)用到工程設(shè)計(jì)中，發(fā)生了巨變，在國(guó)外，疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)被廣泛應(yīng)用到汽車、飛機(jī)、海洋工程、電站設(shè)備、壓力容器和原子能工程等眾多領(lǐng)域[24-26]，而傳統(tǒng)的類比強(qiáng)度或靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)逐漸取代。雖然人們?cè)谄谔匦缘难芯可喜粩嗳〉眯碌倪M(jìn)展，但對(duì)疲勞斷裂規(guī)律及內(nèi)在本質(zhì)認(rèn)為完全掌握，因此還不能完全預(yù)防因疲勞失效引起的重大災(zāi)難性事故的發(fā)生。在歐美國(guó)家中，疲勞研究得到很大的重視。例如，德國(guó)建立的材料試驗(yàn)所（站）多達(dá)500個(gè)，主要進(jìn)行各種材料組織以及力學(xué)性能的研究，尤其代表性的是斯圖加特大學(xué)國(guó)立材料試驗(yàn)所（NMPA），規(guī)模有兩百多人，而二戰(zhàn)結(jié)束時(shí)他們只有幾個(gè)人。每年的研究經(jīng)費(fèi)有數(shù)億馬克，是西歐的設(shè)備和材料的研究中心。我國(guó)由國(guó)家科技部組織提出多個(gè)重大項(xiàng)目，參加研究的單位包括北京科技大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院、西安交通大學(xué)、天津大學(xué)、華中科技大學(xué)、清華大學(xué)等[27]。
提高金屬?gòu)椥栽钠诳沽κ欠乐沽慵l(fā)生疲勞斷裂的根本措施，工程上常采用以下幾種辦法來(lái)提高零件的疲勞抗力。
一是降低作用于零件危險(xiǎn)部位上的實(shí)際應(yīng)力，當(dāng)零件表面存在缺陷、表面粗糙及表面有應(yīng)力集中時(shí)，都會(huì)加速裂紋的萌生。因此，設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量避免應(yīng)力集中，如避免復(fù)雜的型面、注意截面尺寸的圓滑過(guò)渡，防止表面的損傷和裂紋，同時(shí)使表面的光潔程度盡量提高；保證制備過(guò)程中的質(zhì)量，避免選用缺口零件及對(duì)缺口敏感的材料：結(jié)構(gòu)中的殘余應(yīng)力會(huì)疊加在工作應(yīng)力上，增加總的應(yīng)力水平。尤其是復(fù)雜的焊接結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)不當(dāng)或焊接工藝不良都會(huì)引起較大的焊接殘余應(yīng)力，這往往是造成疲勞失效的重要原因，因此，在結(jié)構(gòu)允許的情況下，焊后應(yīng)進(jìn)行去應(yīng)力退火以消除殘余應(yīng)力。
二是采用滾壓或噴丸使表面強(qiáng)化。滾壓強(qiáng)化工藝適用于軸類及圓形彈性元件，各種缺口或溝槽的圓角根部，它不適合于形狀復(fù)雜的彈性元件。缺口滾壓后其疲勞極限大幅度提高，有的甚至比未滾壓的光滑試樣強(qiáng)度還高。噴丸強(qiáng)化工藝在滲碳淬火后的齒輪，鋼板彈簧等彈性元件中得到了廣泛的應(yīng)用。檢測(cè)時(shí)，使被測(cè)件處在工況實(shí)際額定變形位移和額定試驗(yàn)載荷的作用下，實(shí)測(cè)幾何形狀的增量及百分率值與規(guī)定的允許值做比較，判定失穩(wěn)是否發(fā)生。
四、彈性元件應(yīng)力松弛的研究現(xiàn)狀
在恒定的應(yīng)變條件下，金屬材料或元件的應(yīng)力隨時(shí)間延續(xù)而減小的現(xiàn)象稱為應(yīng)力松弛。它是一種相當(dāng)普遍存在的現(xiàn)象，不僅存在于由金屬材料制造的彈性元件或構(gòu)件中（如各種彈簧、張絲、膜片及緊固件等），也存在于由非金屬制造的構(gòu)件中。應(yīng)力松弛現(xiàn)象是彈簧和彈性元件的一個(gè)重要失效形式。
很多的設(shè)備制造商都將金屬?gòu)椥栽乃沙谛阅茏鳛樽钪匾募夹g(shù)指標(biāo)，例如[28]：①發(fā)動(dòng)機(jī)的氣門(mén)彈簧；②機(jī)械制造業(yè)常用的溢流閥安全彈簧；③真空設(shè)備和加熱系統(tǒng)等電器用具彈簧；④家中常用的電器和建筑設(shè)備上用的彈簧；⑤以及核反應(yīng)堆的燃料棒、新型轉(zhuǎn)子機(jī)以及裝備的打火系統(tǒng)和飛機(jī)發(fā)射器座彈簧[29-33]。
可見(jiàn)，研究應(yīng)力松弛的變化規(guī)律、探求其本質(zhì)及其影響因素、尋求有效的預(yù)防技術(shù)，對(duì)提高基礎(chǔ)件的質(zhì)量、延長(zhǎng)它們的使用壽命、節(jié)約特殊鋼及合金的消耗、使整套設(shè)備運(yùn)行時(shí)安全可靠、充分發(fā)揮其生產(chǎn)效率等，都具有重要的理論和實(shí)際意義。
五、彈簧行業(yè)現(xiàn)狀
彈簧是各類機(jī)電產(chǎn)品配套和維修的重要機(jī)械基礎(chǔ)件，廣泛應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)部門(mén)。彈簧工業(yè)是基礎(chǔ)件工業(yè)之一，主要應(yīng)用于汽車、農(nóng)機(jī)、內(nèi)燃機(jī)、摩托車、煤炭、冶礦、電力和各種機(jī)械等行業(yè)，詳見(jiàn)圖3所示。
目前，中國(guó)已經(jīng)建立了數(shù)10個(gè)專業(yè)彈簧研究所，成規(guī)模的彈簧生產(chǎn)企業(yè)多達(dá)700余家，從業(yè)人員超過(guò)了80 000人。彈簧的產(chǎn)品形式多大20多類、2 000余種，年產(chǎn)量多達(dá)40億件，年產(chǎn)值達(dá)百億元。但國(guó)產(chǎn)彈簧質(zhì)量與國(guó)外差距較大，導(dǎo)致對(duì)外出口量很小，因此其銷售市場(chǎng)以國(guó)內(nèi)為主。
目前，我國(guó)的彈簧生產(chǎn)主要分布在浙江、江蘇、上海、廣東等地區(qū)。從2010年我國(guó)彈簧生產(chǎn)企業(yè)區(qū)域統(tǒng)計(jì)圖（圖4）中可以看出，我國(guó)彈簧生產(chǎn)企業(yè)主要集中分布在華東和中南地區(qū)，比例為38.5%和29.0%，2個(gè)地區(qū)比例之和占據(jù)國(guó)內(nèi)整個(gè)市場(chǎng)的60%以上；華北地區(qū)，比例為12.0%；而西南、東北和西北地區(qū)比例相對(duì)較少，分別為7.0%、8.0%和5.5%。
在20世紀(jì)80年代末，彈簧行業(yè)在汽車與電器行業(yè)的發(fā)展帶動(dòng)下，逐漸進(jìn)入了高速發(fā)展階段。但出口數(shù)量占銷售額總量的比例很小。由于近年來(lái)汽車制造行業(yè)、電器制造行業(yè)得到較大的發(fā)展，彈簧行業(yè)得到了很大的發(fā)展。但亞洲金融危機(jī)以及近年來(lái)的全球次貸危機(jī)的影響，市場(chǎng)需求量大大減少，以汽車制造行業(yè)為例，年產(chǎn)量從預(yù)計(jì)的100萬(wàn)減少到實(shí)際生產(chǎn)的55萬(wàn)，因此零部件廠商運(yùn)營(yíng)困難，生產(chǎn)力減半甚至停工，導(dǎo)致設(shè)備空耗。
在我國(guó)，由于大多數(shù)廠家的彈簧生產(chǎn)設(shè)備相對(duì)落后，尤其是檢測(cè)設(shè)備與檢測(cè)試驗(yàn)設(shè)備的落后，導(dǎo)致國(guó)內(nèi)難以成產(chǎn)出高精度要求且種類齊全的彈簧產(chǎn)品，部分必需高性能彈簧產(chǎn)品，高品質(zhì)高性能的彈性元件還是依賴于國(guó)外進(jìn)口。
六、結(jié)語(yǔ)
我國(guó)彈簧產(chǎn)品未來(lái)的競(jìng)爭(zhēng)將從價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)轉(zhuǎn)向技術(shù)實(shí)力和質(zhì)量的競(jìng)爭(zhēng)。彈簧產(chǎn)品要求越來(lái)越高，行業(yè)平均利潤(rùn)越來(lái)越低，價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)的空間越來(lái)越小，無(wú)法再以降價(jià)的辦法爭(zhēng)取到市場(chǎng)，所以，企業(yè)將以技術(shù)和質(zhì)量競(jìng)爭(zhēng)贏得市場(chǎng)。但在市場(chǎng)沒(méi)有達(dá)到規(guī)范化之前，價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)仍將是贏得市場(chǎng)的一種重要手段。從長(zhǎng)遠(yuǎn)角度來(lái)看，我國(guó)的彈簧行業(yè)企業(yè)應(yīng)視自身情況采取具體行動(dòng)，如與國(guó)外企業(yè)聯(lián)營(yíng)、引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)技術(shù)等，以提高產(chǎn)品質(zhì)量，增強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)能力，創(chuàng)知名品牌，擴(kuò)大產(chǎn)品在國(guó)際上的影響力，搶占更大的國(guó)際市場(chǎng)份額，達(dá)到加大出口力度的目的。
參考文獻(xiàn)
[1] 余夢(mèng)生，吳宗澤.機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1996.150-167.
[2] 樊大鈞，劉廣玉.新型彈性敏感元件設(shè)計(jì)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1995.5.92-105.
[3] 張英會(huì)，劉輝航，王得成.彈簧手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.7.64-130.
[4] 劉輝航，浦增玲.模具彈簧的應(yīng)用發(fā)展和前景展望[J].彈簧工程，1992（3）：2-3.
[5] 翁善臣，林友德.儀表彈性元件設(shè)計(jì)基礎(chǔ)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1982.2.19-35.
[6] 趙發(fā)忠.我國(guó)彈簧鋼絲生產(chǎn)現(xiàn)狀及發(fā)展策略[J].金屬制品，2004，30（2）：1-2.
[7] 陳復(fù)民.彈性合金[M].上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1986：120-128.
[8] Hartranft R J，Sih G C.In Methods of Analysis of Crock problem[J].International Journal of Fracture，1987，32：179-238.
[9] Yamata N，Inukai T，Okuda J.Efeet of Surface Finishing on Fatigue Strength of Spring Steel[J]，1979，28（305）：27-35.
[10] Satoh H.Influence of Surface Flaw on Fatigue Life of Valve Springs[J].Wire Journal Internation al，1995.28（3）：120-125.
[11] Murakami Y，Usuki H.Quantitative Evaluation of Efects of NonMetallic Inclusions on Fatigue Strength of High Strength Steelsll[J].Fatigue Limit Evaluation Based on Statistics for Extreme Values of Inclusion Size，International Journal of Fatigue Volume 11，Issue 5，September 1989，291-298.
[12] Kurihara.Fatigue Strength Prediction of Automobile Suspension Spring Stels Explicit Analysis of Nonmetallic Inclusion[J].Mitsubishi Steel Manufacturing Technical Review，1991，25（12）：13-24.
[13] Melander A.The Efect of Stress Amplitude on The Cause of Fatigue Crack[J]，1999，9（3）：25-28.
[14] Melander A，Larsson M.The effect of stress amplitude on the cause of fatigue crack initiation in a spring steel. International Joumal of Fatigue，1993，15（2）：119-13l.
[15] 高鎮(zhèn)同，熊峻江.疲勞/斷裂可靠性研究現(xiàn)狀與展望[J].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1995：6l-82.
[16] 董聰.疲勞壽命分白模型的統(tǒng)一描述[J].強(qiáng)度與環(huán)境，1996，15（3）：1-7，53.
[17] 熊峻江，王三平.疲勞壽命估算的能量法及其研究[J].力學(xué)學(xué)報(bào)，2000，32（4）：420-427.
[18] M Klesnil，P Rys.Precipitation In Low-Carbon Steel Under Cyclic Loading[J].Metal Treatment.1961，6（5）：367-380.
[19] Du Baiping，Li Nian.Factors Influencing The Effective Fatigue Threshold.Int J Fatigue[J].1987，9（1）：43-49.
[20] Lino Y.Local Fatigue Damage Accumulation Around Notch Attending Crack Initiation.Metal Trans[J].1995，26（6）：1419-1430.
[21] Langley R S.Stochastic Models of Fatigue crack Gowth[J].Engng.Fract.Mech.1989：32（1）：137-145.
[22] Du Baiping，Li Nian.Relation Between Fatigue Threshold And Fatigue Limit For Surface Rolled Specimens[J].Int J Fatigue.1992，6：403-409.
[23] Li Nian.Du Baiping.The Effect of Low-Stress High Cycle Fatigue on The Microstructure And Fatigue Threshold of A40Cr Steel[J].Int J Fatigue，1995，17（1）：43-48.
[24] Li Nian.Du Baiping.Effeet of Monotonie And Cycle Pre.Strain on The Fatigue Threshold In Medium Carbon Steels[J].International Journal of Fatigue Volume 14，Issue 1，January 1992，41-44
[25] Wang Tiejun.Micro-And Macrocopic Damage And Fracture Behaviour of Welding Coarse Grain Heat Affected Zone of A Low Alloy Steel-Mechanisms And Modeling[J].Engng Fract Mechs，1993，45（6）：799-812.
[26] Surech S.Fatigue of Materials[M].Cambridge：Cambridge University Press，1991：324-327.
[27] 楊潤(rùn)平.機(jī)車軸箱彈簧的質(zhì)量分析與控制[J].內(nèi)燃機(jī)車，1998，11（8）：44-45.
[28] 合金鋼編寫(xiě)組.合金鋼[J]，北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1976：90-105.
[29] 崔昆.鋼鐵材料及有色金屬材料[J].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1980：95-102.
[30] 章守華.鋼鐵材料學(xué)[J].北京：冶金工業(yè)出版社，1992：42-58.
[31] 王可勇.金屬熱處理[J].北京：中國(guó)水利水電出版社，1978：1-9.
[32] 西村富隆.模具材料及其熱處理譯文集[M].北京：《兵器材料與力學(xué)》編輯部，1979：45-54.
[33] 安希墉.熱處理手冊(cè)[J].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1990（4）：37-45.
猜你喜歡
水電站機(jī)電技術(shù)(2023年11期)2023-11-29 01:56:14
軍事文摘(2021年18期)2021-12-02 01:28:12
軍事文摘·科學(xué)少年(2021年9期)2021-10-13 06:05:13
中學(xué)生數(shù)理化(高中版.高考理化)(2021年1期)2021-03-19 08:51:52
裝備制造技術(shù)(2020年9期)2021-01-26 00:15:14
家庭影院技術(shù)(2020年2期)2020-03-25 13:27:42
模具制造(2019年4期)2019-06-24 03:36:40
新高考·高一物理(2016年10期)2017-07-07 12:17:11
河北農(nóng)機(jī)(2017年4期)2017-02-26 01:54:46
文學(xué)少年(有聲彩繪)(2016年11期)2016-02-28 17:52:30
