農(nóng)業(yè)機(jī)械零件斷裂失效主要類型與優(yōu)化策略研究

聶林紅

（西安交通工程學(xué)院，陜西 西安 710300）

零件是農(nóng)業(yè)機(jī)械穩(wěn)定安全運(yùn)行的重要前提，農(nóng)業(yè)機(jī)械故障多是由零件問題引起的[1]。斷裂表示金屬部件因?yàn)橥饨缫蛩氐挠绊懀霈F(xiàn)局部裂開或者完全斷開的現(xiàn)象[2]。斷裂是機(jī)械部件失效的主要類型之一，當(dāng)機(jī)械零部件出現(xiàn)斷裂以后，一方面會(huì)導(dǎo)致零部件自身完全失效，發(fā)揮不了應(yīng)有的作用，另一方面也容易引發(fā)機(jī)械安全事故，引發(fā)較大的經(jīng)濟(jì)損失與人員傷亡。為此，必須采取有效的措施與手段避免零部件出現(xiàn)斷裂失效，筆者重點(diǎn)分析了農(nóng)業(yè)機(jī)械零部件斷裂失效的主要類型，提出了相應(yīng)的優(yōu)化策略，確保農(nóng)業(yè)機(jī)械能夠安全可靠運(yùn)行，為推動(dòng)我國(guó)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)機(jī)械化發(fā)展提供幫助。

1 斷裂失效的主要類型

1.1 脆性斷裂

脆性斷裂是農(nóng)業(yè)機(jī)械零部件斷裂失效的重要方式之一，出現(xiàn)脆性斷裂，主要是由于零件內(nèi)部應(yīng)力較為集中，受到外力作用時(shí)，容易導(dǎo)致零部件出現(xiàn)形變或開裂，繼而引發(fā)脆性斷裂[3]。脆性斷裂是一種沒有出現(xiàn)塑性變形而直接發(fā)生斷裂的失效形式，突發(fā)性強(qiáng)，預(yù)防難度大，是一個(gè)危險(xiǎn)性很高的零件失效類型[4]。具體來說，脆性斷裂主要是由以下兩方面引起的。首先，零部件材料方面。在農(nóng)業(yè)機(jī)械零件加工過程中，零部件自身會(huì)因?yàn)橄嚓P(guān)因素的影響而產(chǎn)生變形與尺寸改變，比如零部件熱處理、化學(xué)改性等，導(dǎo)致零部件材料中的殘余物或結(jié)晶結(jié)構(gòu)出現(xiàn)改變，從而影響到零部件的晶體組織。此外，當(dāng)機(jī)械零部件外表溫度出現(xiàn)較大變化時(shí)，也容易導(dǎo)致脆性斷裂現(xiàn)象的產(chǎn)生。其次，工藝方面。在農(nóng)業(yè)機(jī)械零件加工過程中，自身組織架構(gòu)會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的改變，進(jìn)而引發(fā)斷裂。當(dāng)影響因素大于零件材料自身臨界值時(shí)，便容易導(dǎo)致脆性斷裂；導(dǎo)致塑性變形失效的重要原因是晶界分布較混亂、零件出現(xiàn)極小的裂紋等，在農(nóng)業(yè)機(jī)械零件斷裂過程中，因?yàn)榫w結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，零件材料內(nèi)部出現(xiàn)明顯的差距，進(jìn)而引發(fā)塑性變形、脆性斷裂等。

1.2 疲勞斷裂

當(dāng)循環(huán)載荷或交變應(yīng)力持續(xù)作用在機(jī)械零件上，便容易導(dǎo)致機(jī)械零部件出現(xiàn)疲勞斷裂。疲勞斷裂主要是局部應(yīng)力集中區(qū)域或綜合力學(xué)性能較弱部位先產(chǎn)生裂紋，隨著裂紋的不斷擴(kuò)展，進(jìn)而引發(fā)零部件的完全斷裂。農(nóng)業(yè)機(jī)械零件絕大多數(shù)的斷裂均屬于疲勞斷裂[5]。

1.2.1 疲勞斷裂過程

通常情況下，疲勞斷裂主要包含了三個(gè)時(shí)期，分別是萌芽期、擴(kuò)散期以及質(zhì)變期[6]。1）萌芽期。當(dāng)機(jī)械零部件持續(xù)受到交變應(yīng)力，零件表層會(huì)慢慢產(chǎn)生微小的凹槽與凸峰，如圖1 所示。在凸峰的底部會(huì)產(chǎn)生較大的局部應(yīng)力，極易產(chǎn)生裂紋，這是疲勞斷裂產(chǎn)生的重要前奏。2）擴(kuò)散期。農(nóng)業(yè)機(jī)械零部件表面出現(xiàn)擠出峰之后，隨著交變應(yīng)力的持續(xù)作用，會(huì)導(dǎo)致裂紋進(jìn)一步擴(kuò)大，進(jìn)入到擴(kuò)散期。按照零件表面裂紋擴(kuò)散方向的不同，又可以將疲勞斷裂擴(kuò)散期分為兩類，分別是切向擴(kuò)散期與法向擴(kuò)散期。首先會(huì)產(chǎn)生切向擴(kuò)散，零件受到循環(huán)載荷的作用，其裂紋順著最大應(yīng)力的切向拓展到材料內(nèi)部，之后會(huì)進(jìn)入到法向擴(kuò)散期，裂紋開始順著正應(yīng)力垂直的方式進(jìn)行延伸。3）質(zhì)變期。機(jī)械零部件裂紋在積累到一定量之后，材料剩余連接截面力學(xué)性能低于實(shí)際載荷力時(shí)，裂紋會(huì)在極短時(shí)間內(nèi)快速擴(kuò)散，導(dǎo)致機(jī)械零件出現(xiàn)突然斷裂問題。

圖1 滑移帶上出現(xiàn)的缺口峰

依照零件產(chǎn)生疲勞斷裂前載荷循環(huán)次數(shù)，可以將其分成兩類，分別是高周期與低周期疲勞[7]。首先，低周期疲勞表示的是零部件疲勞斷裂前所經(jīng)歷的循環(huán)載荷次數(shù)在102~105之間，該情況下作用在機(jī)械零件表面的循環(huán)載荷較大，通常等同于或大于材料的屈服應(yīng)力。所以，隨著循環(huán)載荷次數(shù)的不斷增加，會(huì)導(dǎo)致材料的塑性變形越來越大，使得機(jī)械零件的壽命較短。其次，當(dāng)零部件疲勞斷裂前所經(jīng)歷的循環(huán)載荷次數(shù)大于105，這種情況即是高周期疲勞，這時(shí)作用在機(jī)械零部件表面的載荷要明顯小于材料屈服應(yīng)力，有些還小于彈性極限情況下產(chǎn)生的疲勞。目前出現(xiàn)的絕大部分疲勞斷裂均是屬于這一類，例如彈簧類零件、軸類零件等的失效，都是由高周期疲勞引發(fā)的失效。

1.2.2 疲勞斷裂斷面

一般來說，機(jī)械零件在出現(xiàn)疲勞斷裂時(shí)，可將斷裂面劃分為三個(gè)特征區(qū)，分別是疲勞區(qū)、裂紋蔓延區(qū)以及瞬時(shí)斷裂區(qū)，具體如圖2所示。

圖2 零件疲勞斷裂端面特征

1）疲勞區(qū)。該區(qū)域是疲勞斷裂最早出現(xiàn)的地方，通常在零件表面強(qiáng)度較弱或者應(yīng)力比較集中的地方。農(nóng)業(yè)機(jī)械零件加工過程中，像軸的臺(tái)階部位、刀具劃痕區(qū)域等均容易發(fā)展成疲勞區(qū)。疲勞區(qū)數(shù)量和載荷大小緊密相連，同時(shí)當(dāng)施加的載荷變大時(shí)，疲勞區(qū)數(shù)量也會(huì)逐漸變多，所以，一個(gè)零部件經(jīng)常會(huì)存在多個(gè)疲勞區(qū)。

2）裂紋蔓延區(qū)。該特征區(qū)是疲勞斷裂表面非常關(guān)鍵的一個(gè)區(qū)，通常表現(xiàn)為波紋形或者沙灘形。當(dāng)裂紋蔓延區(qū)的表面粗糙度越低，說明機(jī)械零部件斷裂前受到的循環(huán)應(yīng)力次數(shù)越多，在瞬斷區(qū)旁邊的貝殼線就更近，所能承受的載荷則比較小。當(dāng)裂紋蔓延區(qū)的表面粗糙度越高，這時(shí)裂紋會(huì)在短時(shí)間內(nèi)快速蔓延，所能承受的載荷值也就越大。

3）瞬斷區(qū)。機(jī)械零部件在發(fā)生疲勞斷裂以后，隨著裂紋的不斷蔓延，在達(dá)到特定程度以后，瞬間斷裂產(chǎn)生的區(qū)域即為瞬斷區(qū)。從表面來看，瞬斷區(qū)的斷裂面特征同靜載試驗(yàn)中的放射區(qū)和剪切唇較為相似。一般來說，當(dāng)零件表面承受的載荷值大小不同時(shí)，瞬斷區(qū)的大小和位置也會(huì)存在明顯差異，當(dāng)載荷較小時(shí)，瞬斷區(qū)一般距離界面中心位置較遠(yuǎn)，斷裂面的面積比較小，反之則離中心位置較近，斷裂面面積較大。

2 優(yōu)化策略

2.1 改進(jìn)零部件結(jié)構(gòu)與形狀，選取合適的零件材質(zhì)

農(nóng)業(yè)機(jī)械零部件之所以會(huì)產(chǎn)生斷裂失效，很大一部分原因是零件中的某部分應(yīng)力較為集中，而零部件外部形狀以及材料內(nèi)部的不連續(xù)等均容易引發(fā)應(yīng)力集中[8]。首先，零件外部形狀不連續(xù)一般叫做缺口，主要表現(xiàn)為鍵槽、溝槽、倒角、螺紋、光孔與表面劃痕等[9]。材料內(nèi)部的不連續(xù)也就是人們常說的材料缺陷，主要表現(xiàn)為氣孔、疏松、夾渣以及焊接不良等。當(dāng)零部件存在應(yīng)力集中區(qū)域時(shí)，受到較大沖擊力或者循環(huán)往復(fù)力時(shí)，很容易造成應(yīng)力集中區(qū)域出現(xiàn)裂紋，隨著時(shí)間的持續(xù)，在裂紋擴(kuò)散到一定程度后發(fā)生斷裂。所以，在進(jìn)行農(nóng)業(yè)機(jī)械零部件設(shè)計(jì)過程中，要最大程度避免出現(xiàn)應(yīng)力集中地方，結(jié)合零部件的實(shí)際使用情況，如載荷類型、載荷大小、環(huán)境溫度以及介質(zhì)等，綜合多方面影響因素，選取適宜的零部件材質(zhì)，盡可能地防止零件出現(xiàn)疲勞斷裂。

2.2 優(yōu)化零件加工工藝，選取合適的加工方法

農(nóng)業(yè)機(jī)械零部件在進(jìn)行切削加工、焊接以及熱處理等工序時(shí)，會(huì)產(chǎn)生塑性變形、金相組織變化等，這些均會(huì)造成零件內(nèi)部存在一定的殘余應(yīng)力[10]。根據(jù)應(yīng)力形式的不同，可以將殘余應(yīng)力分成兩類，分別是殘余拉應(yīng)力與壓應(yīng)力。其中，殘余壓應(yīng)力屬于有益應(yīng)力，能夠有效提高零部件的抗疲勞性能，然而殘余拉應(yīng)力會(huì)影響到零件工作的穩(wěn)定性，降低零部件的疲勞壽命。所以，應(yīng)當(dāng)要選取合適的零件加工工藝與加工方法，引入滲碳、拋丸以及滾壓等加工手段，使得在零部件外表產(chǎn)生一定的壓應(yīng)力，使之和零件內(nèi)部的拉應(yīng)力相中和，進(jìn)而消除零部件內(nèi)部的殘余拉應(yīng)力，提高零部件的綜合力學(xué)性能。

2.3 加強(qiáng)對(duì)零件的維護(hù)與修復(fù)

在農(nóng)業(yè)機(jī)械零部件的日常使用過程中，還應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)對(duì)其的維護(hù)與修復(fù)，及時(shí)排查潛在的問題，確保機(jī)械零件能夠安全穩(wěn)定工作。機(jī)械零件的磨損、變形等會(huì)造成農(nóng)業(yè)機(jī)械運(yùn)行不穩(wěn)定或動(dòng)作異常等，為了盡可能地避免因?yàn)榱慵бl(fā)安全事故，需要加強(qiáng)對(duì)零件的維護(hù)。另外，當(dāng)零件磨損或者性能降低時(shí)，還應(yīng)當(dāng)及時(shí)使用相應(yīng)的材料進(jìn)行修復(fù)。首先，去除掉零件表面已經(jīng)出現(xiàn)損傷或者變形的區(qū)域；其次，清理機(jī)械零件中產(chǎn)生的新裂紋，確保裂紋位置可以被精準(zhǔn)識(shí)別出來，并采取有效的手段完成對(duì)零件的修復(fù)。

2.4 正確安裝并使用機(jī)械零件

在實(shí)際進(jìn)行農(nóng)業(yè)機(jī)械零部件安裝時(shí)，要避免出現(xiàn)拉伸、擠壓以及磕碰等，這是由于任何傷痕都有可能發(fā)展為斷裂源。農(nóng)業(yè)機(jī)械要嚴(yán)格按照規(guī)定要求運(yùn)行，避免超載，當(dāng)零件表面出現(xiàn)裂紋時(shí)，需要及時(shí)進(jìn)行修復(fù)或者更換新的零部件。依照實(shí)際情況采取與之相對(duì)應(yīng)的完善手段，比如，通過鉆孔去除裂紋，在合適位置加焊筋板避免裂紋擴(kuò)大；當(dāng)緊固件附近出現(xiàn)裂紋時(shí)，可使用“擴(kuò)孔方式”進(jìn)行處理，將孔附近的裂紋都加工去除掉，之后使用更大規(guī)格的緊固件進(jìn)行固定，進(jìn)而解決零件裂紋問題。

3 結(jié)語

綜上所述，脆性斷裂與疲勞斷裂是農(nóng)業(yè)機(jī)械零件斷裂失效的主要類型，直接影響到農(nóng)業(yè)機(jī)械運(yùn)行的穩(wěn)定性與安全性。在設(shè)計(jì)與使用零件時(shí)，需要結(jié)合零件的實(shí)際使用工況，通過優(yōu)化零件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、加工工藝以及使用方式等，最大程度避免零件出現(xiàn)斷裂失效，確保農(nóng)業(yè)機(jī)械安全穩(wěn)定運(yùn)行。