农业机械零件断裂失效主要类型与优化策略研究

聂林红

（西安交通工程学院，陕西 西安 710300）

零件是农业机械稳定安全运行的重要前提，农业机械故障多是由零件问题引起的[1]。断裂表示金属部件因为外界因素的影响，出现局部裂开或者完全断开的现象[2]。断裂是机械部件失效的主要类型之一，当机械零部件出现断裂以后，一方面会导致零部件自身完全失效，发挥不了应有的作用，另一方面也容易引发机械安全事故，引发较大的经济损失与人员伤亡。为此，必须采取有效的措施与手段避免零部件出现断裂失效，笔者重点分析了农业机械零部件断裂失效的主要类型，提出了相应的优化策略，确保农业机械能够安全可靠运行，为推动我国农业产业机械化发展提供帮助。

1 断裂失效的主要类型

1.1 脆性断裂

脆性断裂是农业机械零部件断裂失效的重要方式之一，出现脆性断裂，主要是由于零件内部应力较为集中，受到外力作用时，容易导致零部件出现形变或开裂，继而引发脆性断裂[3]。脆性断裂是一种没有出现塑性变形而直接发生断裂的失效形式，突发性强，预防难度大，是一个危险性很高的零件失效类型[4]。具体来说，脆性断裂主要是由以下两方面引起的。首先，零部件材料方面。在农业机械零件加工过程中，零部件自身会因为相关因素的影响而产生变形与尺寸改变，比如零部件热处理、化学改性等，导致零部件材料中的残余物或结晶结构出现改变，从而影响到零部件的晶体组织。此外，当机械零部件外表温度出现较大变化时，也容易导致脆性断裂现象的产生。其次，工艺方面。在农业机械零件加工过程中，自身组织架构会产生相应的改变，进而引发断裂。当影响因素大于零件材料自身临界值时，便容易导致脆性断裂；导致塑性变形失效的重要原因是晶界分布较混乱、零件出现极小的裂纹等，在农业机械零件断裂过程中，因为晶体结构发生改变，零件材料内部出现明显的差距，进而引发塑性变形、脆性断裂等。

1.2 疲劳断裂

当循环载荷或交变应力持续作用在机械零件上，便容易导致机械零部件出现疲劳断裂。疲劳断裂主要是局部应力集中区域或综合力学性能较弱部位先产生裂纹，随着裂纹的不断扩展，进而引发零部件的完全断裂。农业机械零件绝大多数的断裂均属于疲劳断裂[5]。

1.2.1 疲劳断裂过程

通常情况下，疲劳断裂主要包含了三个时期，分别是萌芽期、扩散期以及质变期[6]。1）萌芽期。当机械零部件持续受到交变应力，零件表层会慢慢产生微小的凹槽与凸峰，如图1 所示。在凸峰的底部会产生较大的局部应力，极易产生裂纹，这是疲劳断裂产生的重要前奏。2）扩散期。农业机械零部件表面出现挤出峰之后，随着交变应力的持续作用，会导致裂纹进一步扩大，进入到扩散期。按照零件表面裂纹扩散方向的不同，又可以将疲劳断裂扩散期分为两类，分别是切向扩散期与法向扩散期。首先会产生切向扩散，零件受到循环载荷的作用，其裂纹顺着最大应力的切向拓展到材料内部，之后会进入到法向扩散期，裂纹开始顺着正应力垂直的方式进行延伸。3）质变期。机械零部件裂纹在积累到一定量之后，材料剩余连接截面力学性能低于实际载荷力时，裂纹会在极短时间内快速扩散，导致机械零件出现突然断裂问题。

图1 滑移带上出现的缺口峰

依照零件产生疲劳断裂前载荷循环次数，可以将其分成两类，分别是高周期与低周期疲劳[7]。首先，低周期疲劳表示的是零部件疲劳断裂前所经历的循环载荷次数在102~105之间，该情况下作用在机械零件表面的循环载荷较大，通常等同于或大于材料的屈服应力。所以，随着循环载荷次数的不断增加，会导致材料的塑性变形越来越大，使得机械零件的寿命较短。其次，当零部件疲劳断裂前所经历的循环载荷次数大于105，这种情况即是高周期疲劳，这时作用在机械零部件表面的载荷要明显小于材料屈服应力，有些还小于弹性极限情况下产生的疲劳。目前出现的绝大部分疲劳断裂均是属于这一类，例如弹簧类零件、轴类零件等的失效，都是由高周期疲劳引发的失效。

1.2.2 疲劳断裂断面

一般来说，机械零件在出现疲劳断裂时，可将断裂面划分为三个特征区，分别是疲劳区、裂纹蔓延区以及瞬时断裂区，具体如图2所示。

图2 零件疲劳断裂端面特征

1）疲劳区。该区域是疲劳断裂最早出现的地方，通常在零件表面强度较弱或者应力比较集中的地方。农业机械零件加工过程中，像轴的台阶部位、刀具划痕区域等均容易发展成疲劳区。疲劳区数量和载荷大小紧密相连，同时当施加的载荷变大时，疲劳区数量也会逐渐变多，所以，一个零部件经常会存在多个疲劳区。

2）裂纹蔓延区。该特征区是疲劳断裂表面非常关键的一个区，通常表现为波纹形或者沙滩形。当裂纹蔓延区的表面粗糙度越低，说明机械零部件断裂前受到的循环应力次数越多，在瞬断区旁边的贝壳线就更近，所能承受的载荷则比较小。当裂纹蔓延区的表面粗糙度越高，这时裂纹会在短时间内快速蔓延，所能承受的载荷值也就越大。

3）瞬断区。机械零部件在发生疲劳断裂以后，随着裂纹的不断蔓延，在达到特定程度以后，瞬间断裂产生的区域即为瞬断区。从表面来看，瞬断区的断裂面特征同静载试验中的放射区和剪切唇较为相似。一般来说，当零件表面承受的载荷值大小不同时，瞬断区的大小和位置也会存在明显差异，当载荷较小时，瞬断区一般距离界面中心位置较远，断裂面的面积比较小，反之则离中心位置较近，断裂面面积较大。

2 优化策略

2.1 改进零部件结构与形状，选取合适的零件材质

农业机械零部件之所以会产生断裂失效，很大一部分原因是零件中的某部分应力较为集中，而零部件外部形状以及材料内部的不连续等均容易引发应力集中[8]。首先，零件外部形状不连续一般叫做缺口，主要表现为键槽、沟槽、倒角、螺纹、光孔与表面划痕等[9]。材料内部的不连续也就是人们常说的材料缺陷，主要表现为气孔、疏松、夹渣以及焊接不良等。当零部件存在应力集中区域时，受到较大冲击力或者循环往复力时，很容易造成应力集中区域出现裂纹，随着时间的持续，在裂纹扩散到一定程度后发生断裂。所以，在进行农业机械零部件设计过程中，要最大程度避免出现应力集中地方，结合零部件的实际使用情况，如载荷类型、载荷大小、环境温度以及介质等，综合多方面影响因素，选取适宜的零部件材质，尽可能地防止零件出现疲劳断裂。

2.2 优化零件加工工艺，选取合适的加工方法

农业机械零部件在进行切削加工、焊接以及热处理等工序时，会产生塑性变形、金相组织变化等，这些均会造成零件内部存在一定的残余应力[10]。根据应力形式的不同，可以将残余应力分成两类，分别是残余拉应力与压应力。其中，残余压应力属于有益应力，能够有效提高零部件的抗疲劳性能，然而残余拉应力会影响到零件工作的稳定性，降低零部件的疲劳寿命。所以，应当要选取合适的零件加工工艺与加工方法，引入渗碳、抛丸以及滚压等加工手段，使得在零部件外表产生一定的压应力，使之和零件内部的拉应力相中和，进而消除零部件内部的残余拉应力，提高零部件的综合力学性能。

2.3 加强对零件的维护与修复

在农业机械零部件的日常使用过程中，还应当加强对其的维护与修复，及时排查潜在的问题，确保机械零件能够安全稳定工作。机械零件的磨损、变形等会造成农业机械运行不稳定或动作异常等，为了尽可能地避免因为零件失效引发安全事故，需要加强对零件的维护。另外，当零件磨损或者性能降低时，还应当及时使用相应的材料进行修复。首先，去除掉零件表面已经出现损伤或者变形的区域；其次，清理机械零件中产生的新裂纹，确保裂纹位置可以被精准识别出来，并采取有效的手段完成对零件的修复。

2.4 正确安装并使用机械零件

在实际进行农业机械零部件安装时，要避免出现拉伸、挤压以及磕碰等，这是由于任何伤痕都有可能发展为断裂源。农业机械要严格按照规定要求运行，避免超载，当零件表面出现裂纹时，需要及时进行修复或者更换新的零部件。依照实际情况采取与之相对应的完善手段，比如，通过钻孔去除裂纹，在合适位置加焊筋板避免裂纹扩大；当紧固件附近出现裂纹时，可使用“扩孔方式”进行处理，将孔附近的裂纹都加工去除掉，之后使用更大规格的紧固件进行固定，进而解决零件裂纹问题。

3 结语

综上所述，脆性断裂与疲劳断裂是农业机械零件断裂失效的主要类型，直接影响到农业机械运行的稳定性与安全性。在设计与使用零件时，需要结合零件的实际使用工况，通过优化零件设计结构、加工工艺以及使用方式等，最大程度避免零件出现断裂失效，确保农业机械安全稳定运行。