1.5 機械零件的失效形式及設計計算準則

機械零件喪失預定功能或預定功能指標降低到許用值以下的現象，稱為機械零件的失效。由于強度不夠引起的破壞是最常見的零件失效形式，但并不是零件失效的唯一形式。進行機械零件設計時必須根據零件的失效形式分析失效的原因，提出防止或減輕失效的措施，根據不同的失效形式提出不同的設計計算準則。

1.5.1 失效形式

機械零件最常見的失效形式有以下幾種。

1. 斷裂

機械零件的斷裂通常有以下兩種情況。

1）零件在外載荷的作用下，某一危險截面上的應力超過零件的強度極限時發生的斷裂（如螺栓的折斷）。

2）零件在循環變應力的作用下，危險截面上的應力超過零件的疲勞強度而發生的疲勞斷裂。

2. 過量變形

當零件上的應力超過材料的屈服強度時，零件將發生塑性變形。當零件的彈性變形量過大時也會使機器的工作不正常，如機床主軸的過量彈性變形會降低機床的加工精度。

3. 表面失效

表面失效主要有疲勞點蝕、磨損、壓潰和腐蝕等形式。表面失效后通常會增加零件的摩擦，使零件尺寸發生變化，最終造成零件的報廢。

4. 破壞正常工作條件引起的失效

有些零件只有在一定的工作條件下才能正常工作，否則就會引起失效。如帶傳動因過載發生打滑，使機器不能正常地工作。

1.5.2 設計計算準則

同一零件對于不同失效形式的承載能力也各不相同。根據不同的失效原因建立起來的工作能力判定條件，稱為設計計算準則，主要包括以下幾種。

1. 強度準則

強度是零件應滿足的基本要求。強度是指零件在載荷作用下抵抗斷裂、塑性變形及表面失效（磨粒磨損、腐蝕除外）的能力。強度可分為整體強度和表面強度（接觸與擠壓強度）兩種。

整體強度的判定準則為：零件在危險截面處的最大應力（σ，τ）不應超過允許的限度。此最大應力的允許限度稱為許用應力，用[σ]或[τ]表示，即

σ≤[σ]或τ≤[τ]

另一種表達形式為：危險截面處的實際安全系數S應大于或等于許用安全系數[S]，即

S≥[S]

表面接觸強度的判定準則為：在反復的接觸應力作用下，零件在接觸處的接觸應力σ_H應小于或等于許用接觸應力值[σ_H]，即

σ _H≤[σ_H]

對于受擠壓的表面，擠壓應力不能過大，否則會發生表面塑性變形、表面壓潰等現象。擠壓強度的判定準則為：擠壓應力σ_p應小于或等于許用擠壓應力[σ_p]，即

σ _p≤[σ_p]

2. 剛度準則

剛度是指零件受載后抵抗彈性變形的能力，其設計計算準則為：零件在載荷作用下產生的彈性變形量應小于或等于機器工作性能允許的極限值。各種變形量計算公式可參考有關材料力學的文獻，本書不再贅述。

3. 耐磨性準則

設計時應使零件的磨損量在預定限度內不超過允許量。由于磨損機理比較復雜，通常采用條件性的計算準則，即零件的壓強p不大于零件的許用壓強[p]，即

p≤[p]

4. 耐熱性準則

零件工作時如果溫度過高將導致潤滑劑失去作用，材料的強度極限下降，引起熱變形及附加熱應力等，從而使零件不能正常工作。耐熱性準則為：根據熱平衡條件，工作溫度t不應超過許用工作溫度[t]，即

t≤[t]

5. 可靠性準則

可靠性用可靠度表示，對那些大量生產而又無法逐件試驗或檢測的產品，更應計算其可靠度。零件的可靠度用零件在規定的使用條件下和時間內能正常工作的概率來表示，即用在規定的壽命時間內能連續工作的件數占總件數的百分比表示。如有N_T個零件，在預期壽命內只有N_S個零件能連續正常工作，則其系統的可靠度R為

R=N_S/N_T×100%