机械零件的寿命很重要。工厂的机器不能随便坏掉。坏掉就会耽误生产。修机器也要花钱。我们要研究零件的疲劳问题。疲劳就是零件用久了出现的问题。零件一直受力。力可能很大可能很小。力一直变化。时间长了零件里面会有小裂纹。小裂纹慢慢变大。最后零件就断了。我们想找到办法让零件用得更久。

我们先看零件是怎么做的。零件是金属做的。金属不是完全均匀的。金属里面有很小的缺陷。这些缺陷我们眼睛看不见。零件开始受力的时候，缺陷的地方最容易出问题。力在这里集中了。我们用一个词叫应力集中。应力集中让金属一点点分开。第一步是裂纹开始出现。这个阶段比较长。裂纹可能长得慢。我们要看材料好不好。材料好裂纹长得慢。

接下来裂纹会变长。裂纹尖端的应力很大。每一次受力变化，裂纹就长一点点。像撕布一样。布有一个小口子，轻轻一撕口子就变大。金属裂纹也差不多。我们记录裂纹的长度。我们记录零件受力的次数。我们可以画一条曲线。横坐标是受力循环次数。纵坐标是裂纹长度。开始的时候曲线很平。后来曲线变陡了。零件很快就要坏了。我们需要知道曲线什么时候变陡。

我们做实验来研究。实验要用试件。试件就是专门做测试的小零件。试件的材料要和真实零件一样。试件的形状有规定。我们在试件上制造一个小缺口。缺口就像一个小裂纹的起点。我们把试件夹在机器上。机器让试件反复受力。机器记录用了多少次力。机器也记录裂纹变多长。我们做很多次实验。我们用不同的力大小。我们用不同的材料。我们得到很多数据。

我们分析这些数据。数据告诉我们一些规律。材料强度高的试件，裂纹长得慢。受力大的试件，裂纹长得快。零件表面的质量也有影响。表面光滑的零件更好。表面粗糙的零件更容易有裂纹。零件如果有锈，裂纹也容易长。我们给零件加一个保护层。保护层能防锈。保护层也能让表面更光滑。这个办法有用。

我们还用电脑来帮忙。电脑可以模拟裂纹生长。我们先在电脑里画一个零件模型。我们告诉电脑零件的材料。我们告诉电脑零件受多大的力。电脑可以计算零件里面的应力。电脑能找出应力最大的地方。这个地方就是最容易坏的地方。电脑还能算裂纹怎么长大。电脑算得很快。我们可以改一改零件的形状。我们看看哪种形状更好。圆角比尖角好。零件有尖角的地方应力很大。我们把尖角改成圆角，应力就变小了。裂纹就不容易从这里开始。

热处理也是一个方法。热处理就是给金属加热然后冷却。热处理可以改变金属内部的结构。结构变了，性能就变了。有的热处理让金属变硬。金属变硬了，耐磨性好了。但是太硬的金属容易脆。脆了就容易突然裂开。我们要找一个平衡。我们要金属又硬又有韧性。韧性就是能弯一点不断开。我们尝试不同的热处理工艺。我们比较它们的性能。我们找到最适合的工艺。

装配零件也要注意。螺丝不能拧得太紧。拧得太紧，零件内部就有额外的力。这个力一直存在。零件再受工作上的力，就更容易坏。我们计算螺丝拧多紧合适。我们用工具来控制力度。震动也是个大问题。机器工作时有震动。震动让零件一直抖。抖的时候力很小但次数很多。次数多了疲劳就来了。我们加橡胶垫子减震。我们调整机器的平衡。平衡好的机器震动小。

我们还要检查零件。定期检查很重要。眼睛看只能看到大裂纹。小裂纹要用别的方法。我们用一个方法叫超声波。超声波像我们说话的声音，但是频率很高我们听不见。超声波探伤仪能发出超声波。超声波在金属里传播。遇到裂纹超声波会反射回来。仪器接收反射波。我们就知道里面有裂纹。我们知道裂纹在哪里。我们知道裂纹大概多大。裂纹还小的时候，我们可以处理它。我们可以把裂纹磨掉。磨掉之后那个地方又光滑了。零件可以继续用。这样就能提前预防事故。

润滑油也有用。两个零件互相摩擦，表面容易坏。我们加润滑油。润滑油让表面不直接接触。润滑油还带走热量。零件温度太高性能会变差。润滑油要保持干净。脏的润滑油里有小颗粒。小颗粒会磨损零件。我们要定期换油。换油的时候把旧的油放干净。把油槽也清洗一下。

设计新零件的时候就要考虑疲劳。设计师要懂疲劳的知识。设计师要留出安全余量。不能刚好算够力气。力气要留多一些。因为实际工作可能更糟糕。可能有力气突然变大。可能材料有我们不知道的缺陷。安全余量就是保险。设计师要选合适的材料。材料不能只图便宜。便宜的材料可能用不久。总体算下来反而花钱多。选材料要看它的疲劳性能数据。这些数据手册上能查到。

我们把这些事情都做好。机器的零件就能用很久。工厂的生产就能一直进行。维修的次数少了。花钱就少了。人也省力了。这就是我们研究的意义。我们做实验。我们分析数据。我们用电脑模拟。我们改进设计。我们注意使用和维护。每一步都是为了一个目标。让机械零件更可靠。让机器更好地为我们工作。