1.3　机械零件的失效形式和设计准则

机械零件设计，是机械设计基础要研究的主要课题之一。机械零件的设计是按照一定的准则进行的，而机械零件设计准则通常是根据零件的失效形式制订的。所以本节研究机械零件的主要失效形式和常用计算准则。

1.3.1　机械零件常见的失效形式

机械零件丧失了规定的功能称为失效，保证机械设备具有规定功能的主要因素之一是能够进行正常工作的机械零件。因此机械设计的最主要目标之一就是使所设计的零件在工作中不发生失效。机械零件常见的失效形式如下。

1.变形

机械零件多为弹性体，其在受到载荷作用时，会发生弹性变形，当零件所受载荷过大或零件的刚度不足时，会造成零件的尺寸和形状的改变超过许用值，这样会改变零件的正确位置，破坏零件或部件之间的相互配合关系，使零部件之间的受力过大，磨损严重，使机械的工作精度降低，不能正常工作。严重的变形还会加剧机械的振动，以至于发生共振而造成机械的损坏甚至发生严重事故。比如车削圆柱体零件时，若车床主轴的弯曲变形过大，则该圆柱体零件的形状将发生严重变形，其尺寸精度也将得不到保证。又如电动机转子轴轴承的刚度过小时，将改变转子和定子之间的间隙。当材料所受的应力超过屈服强度时，零件将发生不可恢复的变形，这将造成零件的尺寸和形状的改变，从而使零件丧失正常工作的能力。减小变形的主要措施是增加零件的刚度，合理布置载荷的作用位置，且绝对不能够发生预先的夹紧变形。加工后（包括热处理后）变形的根本应对措施则是：提高毛坯质量，对铸件必须做好时效处理，尽量消除其内部的残余应力；其次是采用变形后再加工的方式，即零件加工完毕后尽量使其自然变形，然后再用以上的方法进行再加工。

2.断裂

断裂分为两种，一种称为延性断裂，另一种称为脆性断裂，前者在断裂前有塑性变形和变形能消耗，后者在断裂前无宏观塑性变形。断裂的发生与材料的冲击韧度、载荷的大小、变形速度、应力的性质和环境条件等有关。塑性材料承受冲击载荷时，若变形速度过快，也呈现脆性断裂。工作环境温度的改变也有可能使同种材料的断裂形态发生变化。在常温下呈延性断裂的材料，在低温下也有可能变为脆性断裂；在常温下呈脆性断裂的材料，在高温时也有可能出现延性断裂。

在变应力作用下的机械零件，虽然工作应力没有超过强度极限，也会因工作时间较长而发生疲劳断裂，此种断裂是承受变应力机械零件的一种主要失效形式。

3.零件的表面失效

机械零件的表面失效包括零件表面的接触疲劳破坏、腐蚀和磨损。其常发生在以下几种工作条件情况中。

①在接触变应力条件下工作的零件表面有可能发生接触疲劳破坏；

②处于弱腐蚀性介质中的金属零件表面易发生腐蚀破坏，如在金属零件与潮湿空气或水相接触时，有可能发生表面腐蚀；

③作相对运动的零件，其接触表面易发生磨损。

零件的表面破坏将影响机械的稳定性、寿命和机械效率，因此表面失效是零件失效的一种重要形式。

1.3.2　机械零件的设计计算准则

设计机械零件时，所依据的准则与零件的失效形式紧密相关。以下介绍常用的设计准则。

1.寿命准则

寿命指零件能够正常工作而不失效的使用时间。影响零件寿命的因素有零件的腐蚀、磨损、疲劳、断裂、塑性变形和蠕变等，目前沿用的计算准则是用控制接触表面应力和可靠性的办法来进行条件性计算。关于疲劳寿命，后面各有关章节将作较详细的介绍。

2.强度准则

强度指机械零件抵抗破坏的能力，强度准则是大多数机械零件的设计依据，本课程将着重讨论机械零件的强度设计问题。

3.刚度准则

刚度指零件抵抗弹性变形的能力，弹性变形过大将会影响机械的正常工作。在许多机械零件设计计算中，刚度准则也是一种重要的计算准则。比如机床主轴的刚度条件就是应满足的主要要求之一。刚度计算时可以控制指定点的线位移，也可以是指定平面的角位移或指定平面的扭转变形角。

4.振动稳定性准则

振动稳定性指机械系统或零件的固有频率与作用于其上的作周期性变化的内部或外部的激振源的频率错开的程度。激振源包括：机械系统中的电动机的转动、齿轮的啮合、滚动轴承中的滚动体的振动，活塞的往复运动以及系统外部的激振源等。振动稳定性设计是振动力学理论讨论的课题，本书不对振动稳定性进行介绍。

通常设计机械系统及其零件时，通过改变零件或系统的刚度或增加阻尼等办法来改善机械系统的振动稳定性，或采用隔振、消振等技术改善机械系统对外部激振源的抗振性能。