1.3　機械零件的失效形式和設計準則

機械零件設計，是機械設計基礎要研究的主要課題之一。機械零件的設計是按照一定的準則進行的，而機械零件設計準則通常是根據零件的失效形式制訂的。所以本節研究機械零件的主要失效形式和常用計算準則。

1.3.1　機械零件常見的失效形式

機械零件喪失了規定的功能稱為失效，保證機械設備具有規定功能的主要因素之一是能夠進行正常工作的機械零件。因此機械設計的最主要目標之一就是使所設計的零件在工作中不發生失效。機械零件常見的失效形式如下。

1.變形

機械零件多為彈性體，其在受到載荷作用時，會發生彈性變形，當零件所受載荷過大或零件的剛度不足時，會造成零件的尺寸和形狀的改變超過許用值，這樣會改變零件的正確位置，破壞零件或部件之間的相互配合關系，使零部件之間的受力過大，磨損嚴重，使機械的工作精度降低，不能正常工作。嚴重的變形還會加劇機械的振動，以至于發生共振而造成機械的損壞甚至發生嚴重事故。比如車削圓柱體零件時，若車床主軸的彎曲變形過大，則該圓柱體零件的形狀將發生嚴重變形，其尺寸精度也將得不到保證。又如電動機轉子軸軸承的剛度過小時，將改變轉子和定子之間的間隙。當材料所受的應力超過屈服強度時，零件將發生不可恢復的變形，這將造成零件的尺寸和形狀的改變，從而使零件喪失正常工作的能力。減小變形的主要措施是增加零件的剛度，合理布置載荷的作用位置，且絕對不能夠發生預先的夾緊變形。加工后（包括熱處理后）變形的根本應對措施則是：提高毛坯質量，對鑄件必須做好時效處理，盡量消除其內部的殘余應力；其次是采用變形后再加工的方式，即零件加工完畢后盡量使其自然變形，然后再用以上的方法進行再加工。

2.斷裂

斷裂分為兩種，一種稱為延性斷裂，另一種稱為脆性斷裂，前者在斷裂前有塑性變形和變形能消耗，后者在斷裂前無宏觀塑性變形。斷裂的發生與材料的沖擊韌度、載荷的大小、變形速度、應力的性質和環境條件等有關。塑性材料承受沖擊載荷時，若變形速度過快，也呈現脆性斷裂。工作環境溫度的改變也有可能使同種材料的斷裂形態發生變化。在常溫下呈延性斷裂的材料，在低溫下也有可能變為脆性斷裂；在常溫下呈脆性斷裂的材料，在高溫時也有可能出現延性斷裂。

在變應力作用下的機械零件，雖然工作應力沒有超過強度極限，也會因工作時間較長而發生疲勞斷裂，此種斷裂是承受變應力機械零件的一種主要失效形式。

3.零件的表面失效

機械零件的表面失效包括零件表面的接觸疲勞破壞、腐蝕和磨損。其常發生在以下幾種工作條件情況中。

①在接觸變應力條件下工作的零件表面有可能發生接觸疲勞破壞；

②處于弱腐蝕性介質中的金屬零件表面易發生腐蝕破壞，如在金屬零件與潮濕空氣或水相接觸時，有可能發生表面腐蝕；

③作相對運動的零件，其接觸表面易發生磨損。

零件的表面破壞將影響機械的穩定性、壽命和機械效率，因此表面失效是零件失效的一種重要形式。

1.3.2　機械零件的設計計算準則

設計機械零件時，所依據的準則與零件的失效形式緊密相關。以下介紹常用的設計準則。

1.壽命準則

壽命指零件能夠正常工作而不失效的使用時間。影響零件壽命的因素有零件的腐蝕、磨損、疲勞、斷裂、塑性變形和蠕變等，目前沿用的計算準則是用控制接觸表面應力和可靠性的辦法來進行條件性計算。關于疲勞壽命，后面各有關章節將作較詳細的介紹。

2.強度準則

強度指機械零件抵抗破壞的能力，強度準則是大多數機械零件的設計依據，本課程將著重討論機械零件的強度設計問題。

3.剛度準則

剛度指零件抵抗彈性變形的能力，彈性變形過大將會影響機械的正常工作。在許多機械零件設計計算中，剛度準則也是一種重要的計算準則。比如機床主軸的剛度條件就是應滿足的主要要求之一。剛度計算時可以控制指定點的線位移，也可以是指定平面的角位移或指定平面的扭轉變形角。

4.振動穩定性準則

振動穩定性指機械系統或零件的固有頻率與作用于其上的作周期性變化的內部或外部的激振源的頻率錯開的程度。激振源包括：機械系統中的電動機的轉動、齒輪的嚙合、滾動軸承中的滾動體的振動，活塞的往復運動以及系統外部的激振源等。振動穩定性設計是振動力學理論討論的課題，本書不對振動穩定性進行介紹。

通常設計機械系統及其零件時，通過改變零件或系統的剛度或增加阻尼等辦法來改善機械系統的振動穩定性，或采用隔振、消振等技術改善機械系統對外部激振源的抗振性能。