表面完整性对高强度钢疲劳寿命影响的试验研究_刘彦臣

收稿日期： 2013 － 02 － 20 基金项目： 国家科技重大专项项目（ 2009ZX04014-044） 作者简介： 刘彦臣（ 1974—） ，男，副教授。E-mail： liuyanchenlaoliu@ nuc． edu． cn；
庞思勤 （ 1958—） ，男，教授，博士生导师。E-mail： pangsq@ bit． edu． cn
摘要： 研究了高强度钢 34CrNiMo6 的加工表面完整性对弯曲疲劳寿命的影响规律。疲劳试件
的加工采用不同的切削参数，对加工表面完整性相异的试件进行疲劳试验。研究结果表明： 残余应
力是影响试件弯曲疲劳寿命的主要因素，残余压应力可获得高疲劳寿命； 当表面粗糙度 Ｒy ＞ 10 μm 时，表面粗糙度对疲劳寿命的影响显著； 加工硬化对高强度钢疲劳寿命有不利影响，疲劳寿命随表
第6 期
表面完整性对高强度钢疲劳寿命影响的试验研究
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其数值能直接反映试件表面应力集中程度，Ｒy 值越 大应力集中程度越剧烈。如图 2 所示不同切削条件
下的表面粗糙度 Ｒy值。观察图中的数据曲线可知：
试件表面粗糙度 Ｒy值随着进给速度的增加而变大，
随着刀尖半径的增加而变小； 实际测得的粗糙度值
比理论值大。Ｒy 值的理论计算公式［5］：
求解： CD = AD － AC； AC = （ AB2 － BC2 ） 1/2 ，得
CD = AD － （ AB2 － BC2 ） 1 /2 ．
（ 2）
将切削参数代入（ 2） 式，计算结果与实际粗糙
度值对比，发现（ 2） 式的结果小于实际值，添加修正
项，得到适用于试验切削条件的粗糙度 Ｒy 值的近计 算公式
Tab． 1 Chemical composition of 34CrNiMo6 %
C 0. 36
Ni 1. 40
Mo 0. 20
Cr 1. 40
Mn 0. 70
Fe 95. 69
Si 0. 25
表 2 34CrNiMo6 材料物理性能（ 20 ℃ ）
Tab． 2 Mechanical properties of 34CrNiMo6 （ 20 ℃ ）
况下发生疲劳失效的，零部件的疲劳寿命很大程度 发动机的曲轴及连杆等重要零件。因此对该材料进
上由其表面加工质量决定［1 － 2］。因此，研究零部件 行切削试验和疲劳寿命试验极具意义。试验材料热
的表面完整性对其疲劳寿命的影响非常必要。近 处理状态为渗碳淬火，主要化学成分如表 1 所示。
年来，高强度 钢 以 其 优 良 的 性 能 获 得 了 广 泛 的 应 20 ℃ 下力学性能如表 2 所示。
用，目前各国 都 投 入 大 量 的 人 力 物 力 致 力 于 高 强 度钢切削 工 艺 的 研 究［3］。 本 文 通 过 对 高 强 度 钢 34CrNiMo6 试件的弯曲疲劳试验，研究了表面粗糙 度、残余应力 和 加 工 硬 化 对 高 强 度 钢 弯 曲 疲 劳 寿 命的影响。
表 1 34CrNiMo6 的化学成分质量百分比
切削深度 / mm 0. 2
切削速度 / （ m·min － 1 ）
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ40
0. 2
40
0. 2
40
0. 2
40
0. 2
40
0. 2
40
0. 2
40
0. 2
40
图 1 试件的结构尺寸 Fig． 1 Specimen configurations
2 试件表面完整性检测
2. 1 表面粗糙度的检测 表面完整性是指已加工表面的几何参数和物理
加工在 Cincinnati HAWK TC150 数控车床上进行， 为了保证试验的准确性，所有试件的粗加工均采用 相同的切削参数，刀具材料选用 KENNAMETAL（ 肯 纳） WC-Tic-Tac（ NbC） -Co 硬质合金刀片，最后一道 工序采用不同的切削参数，获得不同表面完整性的 试件，详细切削参数如表 3 所示。按表 3 的切削参 数加工 8 组试件，每组 10 个。测量每个试件的表面 粗糙度、残余应力和微观硬度，测量完成的试件按组 进行弯曲疲劳寿命试验。
表面完整性的另一个重要参数是表面残余应 力。除了表面粗糙度外，切削引起的残余应力对疲 劳寿命也有重要影响。当试件表面的残余应力叠加 到 疲 劳 载 荷 上 时，就 会 改 变 疲 劳 循 环 的 平 均 应 力［6］，影响试件的疲劳寿命。试验采用爱斯特应力 技术有限公司生产的 X-350A 型射线应力测量仪， 测量试件的残余应力。试验所采用的测量方法为侧 倾角法，设 定 参 数： X 光 管 高 压 25 V，X 光 管 电 流 6 mA，扫描范围 145° ～ 169°. 测量过渡圆角处 10 个 点的残余应力值，取平均值为该组试件的表面残余 应力，结果如图 4（ a） ～ 图 4（ b） 所示，分别给出了不 同切削参数条件下试件表面沿切向和轴向的残余应 力值。由图数据可知，切向和轴向残余应力均为压 应力； 切向和轴向残余应力都随进给速度的增加而 变大，随刀尖半径的增大而变大。轴向残余应力的 大小将影响试件的弯曲疲劳寿命［7］。
mainspecificationsresonantfatiguetestmachine参数数值载荷频率范围hz20150载荷频率指示精度hz01载荷频率跟踪范围hz计数倍率100计数范围000谐振弯曲疲劳试验系统的试验现场如图试件通过锥形套直接与2个相同结构尺寸的惯性摆臂固定装夹共同构成了1个类似音叉的弯弯曲疲劳试验现场fig
Abstract： The effect of the surface integrity on the bending fatigue life of 34CrNiMo6 high-strength steel is investigated using a specimen finished under various cutting conditions through fatigue test． The results show that the effect of residual stress on fatigue life is more pronounced than the effect of surface roughness and work hardening，an increase in compressive residual stress causes an increase in fatigue life． When surface roughness value of Ｒy is more than 10 μm，the surface roughness influences the fatigue life significantly． The effect of work hardening on fatigue life is unfavorable． The fatigue life becomes shorter as the surface hardness becomes higher． The fatigue life of high-strength steel can be improved by applying such cutting conditions as low feed rate and small nose radius． Key words： machinofature technique and equipment； high-strength steel； surface integrity； fatigue life
Ｒy = Ｒ － （ Ｒ2 － （ f /2） 2 ） 1/2 + 0. 001 2． （ 3） 由以上分析可知，加工表面的粗糙度很大程度
图 4 已加工表面的残余应力 Fig． 4 Ｒesidual stress on machined surface
2. 3 加工硬化 加工硬化是影响试件疲劳寿命的另一重要因
性能，如 表 面 粗 糙 度、残 余 应 力、硬 度 及 微 观 组 织 等［4］。表面完整性的一个重要参数是表面粗糙度。 疲劳裂纹一般在试件的表面产生，粗糙表面的沟痕 会引起应 力 集 中，改 变 材 料 对 疲 劳 裂 纹 的 抗 力［3］。 试验中使用北京时代集团公司生产的 TＲ240 便携 式表面粗糙度测量仪，测量试件的表面粗糙度。每 一个加工表面均采取多点测量取平均值的方法获得 表面粗糙度结果。表面粗糙度的评定参数很多，其 中 Ｒy值为参考长度内轮廓波峰到波谷的最大高度，
面硬度的增加而降低； 采用小刀尖半径和低进给速度可提高高强度钢的疲劳寿命。
关键词： 机械制造工艺与设备； 高强度钢； 表面完整性； 疲劳寿命
中图分类号： TG54
文献标志码： A
文章编号： 1000-1093（ 2013） 06-0759-06
DOI： 10． 3969 / j． issn． 1000-1093． 2013． 06． 016
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第 34 卷
素。试件表面的加工硬化使试件表面产生塑性变 形，表面组织纤维化，屈服强度提高，硬度增加，阻止 位错线向表面伸出，推迟疲劳裂纹的产生［8 － 9］。本 研究中使用日本 Future-Tech 产 FM-300 显微硬度仪 测量试件表面显微硬度。压头载荷 100 g，取 5 次测 量结果的平均值为表面硬度，结果如图 5 所示。试 件表面的显微硬度随着进给速度的增加而增加，随 着刀尖半径的增大而增加。加工硬化对试件疲劳性 能的影响取 决 于 载 荷 形 式、表 面 应 力 状 态、硬 化 程 度、试验温度等因素的共同作用［9］。
硬度 HＲC 58 ～ 62
杨氏弹性模量 / GPa 206
泊松比 0. 277
热传导系数 / （ N·s － 1·mm － 1·℃ － 1 ）
52. 5
热容 / （ N·mm － 2·℃ － 1 ）
3. 4
热膨胀系数 /℃ －1 11. 5 × 10 － 6
1. 2 试验方案 疲劳试验试件的结构尺寸如图 1 所示。试件的
Experimental Study on Effect of Surface Integrity on High-strength Steel Fatigue Life
LIU Yan-chen1，2 ，PANG Si-qin1 ，WANG Xi-bin1 ，XIE Li-jing1
（ 1． School of Mechanical and Vehicular Engineering，Beijing Institute of Technology，Beijing 100081，China； 2． School of Mechatronic Engineering，North University of China，Taiyuan 030051，Shanxi，China）
Ｒy
=
f 8
2
Ｒ
，
（ 1）
式中： f 为进给速度，单位： mm / r； Ｒ 为刀尖半径，单
位： mm．
图 2 切削参数对表面粗糙度的影响 Fig． 2 Effect of cutting conditions on surface roughness
上取决于进给速度和刀尖半径。要获得较好的表面 光洁度，可采用适当减小进给速度和加大刀尖半径 的方法。但减小进给速度会增加切削时间，加大刀 尖半径会加剧振动、缩短刀具寿命。 2. 2 表面残余应力的检测
图 3 已加工表面粗糙度示意图 Fig． 3 Machined surface roughness
试件表面的车削纹理如图 3 所示。图中 Ｒy 值 为理想状态下波峰至波谷的距离。A 点为刀尖瞬时
圆心，AB 和 AD 的长度均为刀尖半径 Ｒ，BC = f /2，
则 CD 的长度即为理想状态下的 Ｒy值。由以上条件
第 34 卷第 6 期 2 0 1 3年6月
兵工学报 ACTA AＲMAMENTAＲII
Vol． 34 No． 6 Jun． 2013
表面完整性对高强度钢疲劳寿命影响的试验研究
刘彦臣1，2 ，庞思勤1 ，王西彬1 ，解丽静1
（ 1． 北京理工大学 机械与车辆学院，北京 100081； 2． 中北大学 机电工程学院，山西 太原 030051）
表 3 疲劳试件采用的切削参数
Tab． 3 Cutting conditions of specimen
序号
1 2 3 4 5 6 7 8
刀尖圆弧 半径 / mm
0. 4 0. 4 0. 4 0. 4 0. 8 0. 8 0. 8 0. 8
进给速度 / （ mm·r － 1 ）
0. 10 0. 14 0. 20 0. 30 0. 10 0. 14 0. 20 0. 30
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0 引言
1 疲劳试件的制备
随着机械制造科学和技术的发展，切削加工朝 1. 1 试验材料
着精密与超精密加工方向迈进。大量实践表明，现
试验所用材料 34CrNiMo6 为 Cr-Ni-Mo 系低合
代工业中有 80% 以上的零部件是在循环载荷的情 金高强钢，因其优秀的综合机械性能，广泛用于制造