现代抗疲劳制造应用技术研究与发展

现代抗疲劳制造应用技术研究与发展

郭攀成;屈兰锋

【摘要】对近年来国内外在抗疲劳制造技术方面的研究和进展作了综述,重点分析了机械喷丸、高压水射流喷丸及激光冲击处理技术对构件疲劳性能提高的机理.基于"无应力集中"抗疲劳概念的理论模型,指出先进的表面完整性加工,尤其是表面改性可显著提高疲劳性能.对今后抗疲劳制造技术研究的重点提出了见解.

【期刊名称】《兰州工业学院学报》

【年(卷),期】2011(018)003

【总页数】5页(P58-62)

【关键词】抗疲劳制造;喷丸强化;激光冲击处理;表面完整性

【作者】郭攀成;屈兰锋

【作者单位】兰州工业高等专科学校机械工程系,甘肃兰州730050;兰州工业高等专科学校机械工程系,甘肃兰州730050

【正文语种】中文

【中图分类】TH68;TG142

1964年国际标准化组织在《金属疲劳试验的一般原理》中给疲劳下了一个描述性定义：金属材料在应力或应变的反复作用下所发生的性能变化叫疲劳.美国试验与材料协会(ASTM)“在疲劳试验及数据统计分析之有关术语的标准定义”(ASTM E206-72)中所作定义为：在某点或某些点承受扰动应力，且在足够多的循环扰动作用之后形成裂纹或完全断裂的所发生的局部的、永久结构变化的发展过程，称为

疲劳［1］.

在现代工业各个领域中，大约有50%～90%以上的结构强度破坏都是由于疲劳破坏造成的，如轴、曲轴、连杆、齿轮、弹簧、螺栓、压力容器、海洋平台、汽轮机叶片和焊接结构等，很多机械零部件的结构件的主要破坏方式都是疲劳.因此认识疲劳，了解疲劳破坏的机理和抗疲劳制造的原理，探求抗疲劳设计和制造的方法，来达到提高疲劳寿命的的目，并去指导现代工业技术的发展，已经成为现代工业生产中的重要课题.

抗疲劳制造技术是指在不改变零部件材料和截面尺寸的前提下，通过在制造工艺过程中改变材料的组织及应力分布状态来提高零部件疲劳寿命的制造技术［2］.该技术的一个突出特点是不改变零部件的结构和材料，不增加重量，但能够大幅度提高零部件的疲劳寿命，对于像航空航天、铁路运输、核工业等对疲劳要求很高的工业领域，抗疲劳制造显得尤为重要.

在目前的生产实践中，有关抗疲劳制造的方法多种多样，以下从物理、化学、机械和高能束处理四个方面对其进行分析.

物理方法通过提高材料表层的硬度和强度来提高材料抗疲劳性能的.其特点是不改变表层化学成分，通过表层相变来提高零件的疲劳强度.常用的工艺有火焰淬火、高频和中频感应加热淬火以及近年来发展的超声波、双频感应加热淬火等［2］. 化学方法是利用化学热处理技术通过改变表面化学成分，并形成单相或多相的扩散层，大大提高材料表层的硬度，同时还可以建立很高的残余压应力，从而提高了材料的疲劳性能.主要包括渗碳、渗氮、碳氮共渗、磷化和阳极氧化等工艺，近年来离子渗碳、真空扩渗、渗硼和多元共渗等新方法也得到了较大的发展［3］.

机械方法的突出特点是利用冷变形技术，使金属材料表面产生形变硬化层，并引人高的残余压应力，因而减少了疲劳应力作用下裂纹的形核并抑制裂纹的早期扩展，从而显著提高机械零件的抗疲劳断裂和抗应力腐蚀开裂的能力.主要工艺方法包括

滚压、挤压、喷丸、干涉配合和抛光处理等，是抗疲劳制造的一种主要方法［4-5］.

高能束处理技术是在材料局部表面施以极高密度的能量，并使之发生物理、化学变化，达到显著抗疲劳增寿的目的.目前正在研究和应用于抗疲劳制造的有激光冲击、激光相变硬化、激光熔凝、激光合金化以及离子注入等，这些是极有发展前途的抗疲劳制造方法.

工业界广泛应用的机械喷丸(Shot Peening，简称喷丸)强化工艺是一种有效的表

面微动防护手段，它通过对零件表层实施冷挤压而使表层冷作硬化和产生残余压应力.大量弹丸在压缩空气的推动下，形成高速运动的弹丸流不断地向零件的表面喷射，无数粒弹丸犹如一个个榔头不断地锤击零件表面，使金属晶体发生晶粒破碎、晶格歪扭和高密度位错，在充裕的时间内，以冷加工的形式使工件表面金属材料发生塑性流动，造成重叠凹坑的塑性变形，在生成凹坑的过程中引起压应力并拉伸表面结构，这一变化过程被工件内部未受锤击的部分所阻挡，因此就在工件层表面和近表面形成残余的压应力.喷丸强化时，钢丸流反复向工件表面冲击产生两个方向

的力［6］：1)切向力造成表面弹塑性延伸;2)钢丸冲击的表面法向力引起赫芝应力，它在一定深度内产生的最大切应力，造成该区域的弹塑性喷丸后塑性变形的保留与弹性变形的松弛，使工件表层产生残余压应力.冷作硬化使零件的强度有所提高，

残余压应力则会消除工件因机械加工、热处理、焊接、激光切割、电镀或硬化涂层形成的拉应力，晶粒晶格的畸形使零件在使用过程中不易产生裂纹扩展，从而能显著提高零件抗疲劳性能和抗应力腐蚀能力，延长零件使用寿命［7］.

高压水射流技术是近30年来迅猛发展起来的一项新技术，其基本原理就是将携带巨大能量的高压水射流以某种特定的方式高速喷射到金属零构件表面上，使零构件表层材料在再结晶温度下产生塑性形变(冷作硬化层)，呈现理想的组织结构(组织

强化)和残余应力分布(应力强化)，从而达到提高零构件周期疲劳强度的目的

［8］.Ramulu［9］等研究表明，高压水射流喷丸强化与传统的喷丸强化具有相似的工艺过程和表现形式，强化作用也是由组织强化和应力强化共同完成.水射流冲击下在零构件表层形成塑性形变，产生残余压应力，增加了材料表面硬度，从而可以有效控制疲劳源的萌生和裂纹的扩展，提高零构件的疲劳强度.水射流喷丸强化技术先进、优势明显.目前，高压水射流喷丸强化技术的研究刚刚起步，理论上有待发展，技术上有待完善.

激光冲击处理技术(Laser Shock Processing)是利用高功率密度(GW/cm2)、短脉冲(ns量级)激光束辐射金属时产生高强度冲击波在金属材料或零件表层形成数百兆帕的残余应力，使金属材料表层产生应变硬化从而改善金属材料性能的一项新型表面强化技术.由于其强化原理类似喷丸，因此也称作激光喷丸(Laser Shock Peening).

当短脉冲的高峰值功率密度的激光辐射金属靶材时，金属表面吸收层吸收激光能量发生爆炸性汽化蒸发，产生高温、高压的等离子体，该等离子体受到约束层的约束时产生高强度压力冲击波，作用于金属表面并向内部传播.当冲击波的峰值压力超过被处理材料的屈服强度时，材料表层就产生应变硬化，残留很大的压应力［10］.

激光冲击波在冲击区产生平行于材料表面的拉应力，并使材料发生塑性变形，激光作用结束后，由于冲击区周围材料的反作用，将在冲击区产生压应力.残余压应力可以降低交变载荷中的拉应力水平，使平均应力水平下降，从而提高了疲劳裂纹萌生寿命.同时由于残余压应力的存在，可引起裂纹的闭合效应，导致疲劳裂纹扩展的有效驱动力降低，因而延长了疲劳裂纹扩展寿命.

所谓表面完整性是指控制加工工艺方法造成的损伤或强化的表面状态，它是制造加工过程中构件表面材料可能产生的各种改变及其对构件服役性能影响的总描述和控制［11］.为了保证构件表面完整性，必须发展和采用抗疲劳制造.抗疲劳制造的要