1.5 机械零件的失效形式及设计计算准则

机械零件丧失预定功能或预定功能指标降低到许用值以下的现象，称为机械零件的失效。由于强度不够引起的破坏是最常见的零件失效形式，但并不是零件失效的唯一形式。进行机械零件设计时必须根据零件的失效形式分析失效的原因，提出防止或减轻失效的措施，根据不同的失效形式提出不同的设计计算准则。

1.5.1 失效形式

机械零件最常见的失效形式有以下几种。

1. 断裂

机械零件的断裂通常有以下两种情况。

1）零件在外载荷的作用下，某一危险截面上的应力超过零件的强度极限时发生的断裂（如螺栓的折断）。

2）零件在循环变应力的作用下，危险截面上的应力超过零件的疲劳强度而发生的疲劳断裂。

2. 过量变形

当零件上的应力超过材料的屈服强度时，零件将发生塑性变形。当零件的弹性变形量过大时也会使机器的工作不正常，如机床主轴的过量弹性变形会降低机床的加工精度。

3. 表面失效

表面失效主要有疲劳点蚀、磨损、压溃和腐蚀等形式。表面失效后通常会增加零件的摩擦，使零件尺寸发生变化，最终造成零件的报废。

4. 破坏正常工作条件引起的失效

有些零件只有在一定的工作条件下才能正常工作，否则就会引起失效。如带传动因过载发生打滑，使机器不能正常地工作。

1.5.2 设计计算准则

同一零件对于不同失效形式的承载能力也各不相同。根据不同的失效原因建立起来的工作能力判定条件，称为设计计算准则，主要包括以下几种。

1. 强度准则

强度是零件应满足的基本要求。强度是指零件在载荷作用下抵抗断裂、塑性变形及表面失效（磨粒磨损、腐蚀除外）的能力。强度可分为整体强度和表面强度（接触与挤压强度）两种。

整体强度的判定准则为：零件在危险截面处的最大应力（σ，τ）不应超过允许的限度。此最大应力的允许限度称为许用应力，用[σ]或[τ]表示，即

σ≤[σ]或τ≤[τ]

另一种表达形式为：危险截面处的实际安全系数S应大于或等于许用安全系数[S]，即

S≥[S]

表面接触强度的判定准则为：在反复的接触应力作用下，零件在接触处的接触应力σ_H应小于或等于许用接触应力值[σ_H]，即

σ _H≤[σ_H]

对于受挤压的表面，挤压应力不能过大，否则会发生表面塑性变形、表面压溃等现象。挤压强度的判定准则为：挤压应力σ_p应小于或等于许用挤压应力[σ_p]，即

σ _p≤[σ_p]

2. 刚度准则

刚度是指零件受载后抵抗弹性变形的能力，其设计计算准则为：零件在载荷作用下产生的弹性变形量应小于或等于机器工作性能允许的极限值。各种变形量计算公式可参考有关材料力学的文献，本书不再赘述。

3. 耐磨性准则

设计时应使零件的磨损量在预定限度内不超过允许量。由于磨损机理比较复杂，通常采用条件性的计算准则，即零件的压强p不大于零件的许用压强[p]，即

p≤[p]

4. 耐热性准则

零件工作时如果温度过高将导致润滑剂失去作用，材料的强度极限下降，引起热变形及附加热应力等，从而使零件不能正常工作。耐热性准则为：根据热平衡条件，工作温度t不应超过许用工作温度[t]，即

t≤[t]

5. 可靠性准则

可靠性用可靠度表示，对那些大量生产而又无法逐件试验或检测的产品，更应计算其可靠度。零件的可靠度用零件在规定的使用条件下和时间内能正常工作的概率来表示，即用在规定的寿命时间内能连续工作的件数占总件数的百分比表示。如有N_T个零件，在预期寿命内只有N_S个零件能连续正常工作，则其系统的可靠度R为

R=N_S/N_T×100%