专利名称：一种提高机器零件或结构件抗疲劳性能的方法
技术领域：
本发明属于工程力学科学技术领域，具体涉及一种提高机器零件或结构 件抗疲劳性能的方法。
背景技术：
材料或元件在交变应力(随时间作周期性改变的应力)作用下，经过一 段时期后，在内部缺陷或应力集中的部位，局部产生细微的裂纹，裂纹逐渐 扩展以致在应力远小于屈服点或强度极限的情况下，突然发生脆性断裂，这 种现象称为疲劳，例如频繁进料、出料的周期性间歇操作。刚度是指零件在 载荷作用下抵抗弹性变形的能力。零件的刚度(或称刚性)常用单位变形所 需的力或力矩来表示，刚度的大小取决于零件的几何形状和材料种类(即材 料的弹性模量)。零件刚度不足，受交变应力作用时变形大，则导致微观裂纹 的过早产生和己有微观裂纹的迅速扩展，而且，刚度要求对于某些弹性变形 量超过一定数值后，会影响机器工作质量的零件尤为重要，如机床的主轴、 导轨、丝杠等。刚度越好，机器的传动精度和工作精度越好。
目前，提高机器零件或结构件抗疲劳性能以下几种方法l)选用疲劳强 度高的材料和规定能够提高材料疲劳强度的热处理方法及强化工艺。2)提高 零件的表面质量，如将处在应力较高区域的零件表面加工得较为光洁；对于 工作在腐蚀性介质中的零件规定适当的表面保护等。3)尽可能地减少或消除 零件表面可能发生的初始裂纹。尽管上述方法均能提高零件的抗疲劳性能， 但是其效果还未达到最佳状态，难以进一步有效降低零件的疲劳破坏几率。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题与缺陷，本发明的目的在于提供一种提高 机器零件或结构件抗疲劳性能的方法，该方法通过在机器零件或结构件中嵌 入弹性模量较大的另一种或几种材料，提高机器零件刚度，减少受力变形， 进而避免机器零件或结构件外部表面迅速产生裂纹或己有裂纹的过早扩展， 最终提高其抗疲劳性能，而且，通过提高零件的刚度，提高整个机械传动系 统的刚性，降低受力变形引起的误差，最终提高机器的传动精度和工作精度。
实现上述发明目的的技术方案是 一种提高机器零件或结构件抗疲劳性 能的方法，是在塑韧性高的表层材料内部嵌入弹性模量大于表层材料的内部 材料。
通过常规方法设计的一些机械零件，经校核发现强度富裕较多时，在其 内部适当部位，根据对应强度富裕的量和高弹性模量材料具体受力时的强度， 去掉原设计的部分材料，代之以高弹性模量材料填补，从而使零件受交变应 力作用时降低变形，减少微观裂纹的产生和己有微观裂纹的扩展速率，最终 提高构件或机器零件的抗疲劳性能。
所述的外部材料是金属、合金、木材、高分子材料、复合材料或其他韧 性较好的材料的一种；内部材料是硬质合金、陶瓷、复合材料或其他具有高
弹性模量的材料中的一种或几种。
所述的内部材料位于内外表层材料内部所需要的任意位置。 所述的内部材料在轴向上可以是连续的或者不连续的。 所述的外部或内部材料的结构形状根据需要设计。
本发明提高机器零件或结构件抗疲劳性能的方法是通过使用弹性模量较高的材料，减少机器零件或结构件受力变形，避免其外部表面产生裂纹或 已有裂纹的过早扩展，最终提高整体机器零件或结构件的抗疲劳性能。同时 通过提高构件或机器零件的刚度，进而提高整个系统的刚性，降低变形引起 的误差，最终提高机器或构件的传动精度和工作精度。
图1是本发明方法的第一种实施方式的结构图。
图2是本发明方法的第二种实施方式的结构图。 图3是本发明方法的第三种实施方式的结构图。 图4是本发明方法的第四种实施方式的结构图。 图5是本发明方法的第五种实施方式的结构图。
具体实施例方式
以下结合附图和发明人给出的试验例和具体实施例对本发明的方法做进 一步的详细说明。
试验例1本发明的方法提高机器零件或结构件疲劳性能的检测试验
1、 试验材料
外层材料为正火后的20钢，芯部为硬质合金，含Co约10%。正火后的
20钢布氏硬度:136HBS
试样(U^8. lmm，粗糙度#
《
2、 设备仿苏HY型(1955年生产)
3、 试验方法单点试验法
4、 试验结果
在布氏硬度136HBS的情况下，疲劳极限o-330mpa，查表20钢的抗拉强度约为410 mpa，试验材料所得结果相当于410 mpa的80%。
而一般根据碳钢的疲劳极限经验公式o-!"0.43ob， 20钢的疲劳极限
应为o =410X0. 43=176. 3mpa。说明这种提高机器零件或结构件疲劳强度的方
法是有效的。 实施例1
第一种轴类零件的结构示意图，参见图1，图中1表示塑韧性较好的材料； 2表示弹性模量大的材料。 实施例2
第二种轴类零件的结构示意图，参见图2，图中l表示塑韧性高的禾才料； 2表示弹性模量较高且有较高塑韧性的材料；3表示弹性模量大的材料。 实施例3
第三种轴类零件的结构示意图，参见图3，图中l表示塑韧性高的^"料； 2表示弹性模量较高且有较高塑韧性的材料；3表示弹性模量大的材料。 实施例4
第四种轴类零件的结构示意图，参见图4，图中1表示塑韧性较好的材料; 2表示弹性模量大的材料。 实施例5
第五种齿轮类零件的结构示意图，参见图5，图中1和3表示塑韧性较好 的材料；2表示弹性模量大的材料。
权利要求
1. 一种提高机器零件或结构件抗疲劳性能的方法，其特征在于该方法是在塑韧性高的表层材料内部嵌入弹性模量大于表层材料的内部材料。
2. 根据权利要求1所述的提高机器零件或结构件抗疲劳性能的方法，其 特征在于所述的表层材料是金属、合金、木材、高分子材料、复合材料或 其他塑韧性较好的材料中的一种；所述的内部材料是硬质合金、陶瓷、复合 材料或其他具有高弹性模量的材料中的一种或几种。
3. 根据权利要求1所述的提高机器零件或结构件抗疲劳性能方法，其特征在于所述的内部材料在轴向上是连续的。
4. 根据权利要求1所述的提高机器零件或结构件抗疲劳性能的方法，其特 征在于所述的内部材料在轴向上是不连续的。
全文摘要
本发明公开了一种提高机器零件或结构件抗疲劳性能的方法，该方法是在塑韧性高的表层材料内部适当部位嵌入弹性模量大于表层材料的内部材料。通过常规方法设计的一些机械零件，经校核强度富裕较多时，在其内部适当部位，根据对应强度富裕的量和高弹性模量材料具体受力时的强度，去掉原设计的部分材料，代之以高弹性模量材料填补，从而使零件刚度提高，受交变应力作用时变形减少，降低微观裂纹的产生和已有微观裂纹的扩展速率，最终提高构件或机器零件的抗疲劳性能。同时通过在构件或机器零件的内部嵌入弹性模量较大的内部材料，提高构件或机器零件的刚度，进而提高整个系统的刚性，降低变形引起的误差，最终提高机器的传动精度和工作精度。
文档编号C21D1/06GK101519714SQ20091012773
公开日2009年9月2日 申请日期2009年3月17日 优先权日2008年3月28日
发明者涛 冯, 闯 冯, 冯增光, 杨有刚, 武鸣放, 王洪斌, 郭康权 申请人:西北农林科技大学