殘余應力對汽車零件疲勞壽命的影響研究

摘 要：眾所周知，由于負荷交變壓力，汽車零件常常因為過度疲勞而發生損壞，這個過程主要分為三個階段，即受理表面開始出現疲勞裂痕、裂縫的擴大以及最終的瞬間性斷裂。因此，為了有效提升零件的疲勞強度，本文基于殘余應力的概述，分析和研究了應用殘余應力提升疲勞強度的實例，以期為相關人員提供借鑒。

關鍵詞：殘余應力；汽車零件；疲勞壽命

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.24.027

0 前言

通常情況下，通過提升零件表面金屬的強度以及改善零件的表層狀態，如提升光滑度或者減小表層缺陷等，都可高效提升汽車零件的疲勞強度。而通過應用零件表層的殘余應力，可有效減少在汽車運行過程中零件所負荷的拉伸應力，進而達到提高疲勞強度的效果。因此，本課題對于殘余應力的研究具有現實意義。

1 殘余應力的概述

1.1 作用

零件內部的應力往往是受外力的影響而產生的，若缺乏外力影響，此時的零件內部也會存在著一定的應力，而這就是所謂的殘余應力[1]。舉例來說就是，假設有2根剛性梁，兩者之間使用4根彈簧進行連接，兩端的彈簧為壓簧，而中間的2根則為拉簧。在這一受力系統之中，彈性力始終處于平衡狀態，也就是說壓力的總和與拉力的總和相等。此外，經過某些工藝，如滾壓工藝或者噴丸工藝等處理之后，圓桿內部也會產生相類似的殘余應力。該種殘留在零件內部并相互制衡的應力，在與外力所產生的應力進行疊加后，就會使得外力相應地增大或減少。而對于負荷著交變壓力的汽車零件而言，通過實現殘余應力與交變應力的疊加，可使平均應力產生相應的增大或減小?；跀嗔蚜W的基本理論知識，要想獲取較高的疲勞強度，首先要做的就是延后疲勞裂痕的產生，其后阻礙其擴展和深入。根據相關研究可知，汽車零件疲勞裂痕的拓展抗力與殘余應力之間存在著指向關系，隨著殘余應力的增加，雖然疲勞裂痕所產生的抵抗力并未較大地增長，但是疲勞裂痕的抗拓展力卻大幅提升，從而極大地提升了汽車零件的疲勞強度。

1.2 產生原因

1.2.1 塑性變形

零件的塑性變形極有可能產生殘余應力。當某一零件表面壓有一個鋼球時，球體下端的材料就會產生塑性流動，進而會沿著球體的四圍被擠出。在球體移動之后，塑性變形區域之下的材料則會產生往上反彈的趨勢，但由于已出現塑性變形情況的材料無法恢復到原先狀態，因而此處便生成了壓應力，而上面則生成了拉應力。此外，對零件進行切削處理同樣會差生殘余應力，尤其是當零件出現磨損時，即便是研磨或者拋光等處理也會使得零件的表層內形成40-60kg/mm?的殘余應力。

1.2.2 滲碳與滲氮

借助滲碳或者滲氮等手段同樣可生成殘余應力。相較于表面淬火，滲碳處理具有更為顯著的優越性，其所產生的殘余應力也遠遠超過表面淬火，這是因為：第一，在進行滲碳處理時，要對零件的整體進行加熱，而在表面淬火時，則要對表面進行冷卻處理，借助溫差而產生殘余應力，第二，表面馬氏體結構的變化進而產生殘余應力，第三，表面淬硬的加強作用。而滲氮處理則能產生更大的殘余應力。在進行滲氮處理時，氮會與鐵以及相關的合金元素生成硬度較大的氮化物，使得表面體積出現膨脹進而產生殘余應力，雖然所產生的氮化物層較薄，但是所生成的殘余應力卻十分之大。

除此之外，彎曲或扭曲桿件、對零件進行不均勻的加溫或冷卻等處理同樣可以使零件產生殘余應力，進而有效提升汽車零件的疲勞強度。

2 應用殘余應力提升汽車零件疲勞強度的實例

2.1 彈簧

借助噴丸處理，不但可有效去除彈簧表層的氧化層，而且能讓彈簧表面發生塑性變形，進而產生一定程度上的冷作硬化效果，而這也被稱作是噴丸強化。根據相關實驗可知，要想提升彈簧的疲勞強度，主要依靠的不是噴丸的強化效果，而是彈簧表面的殘余應力。對于彈簧或者板簧而言，當其簧片的上表層收到拉伸應力作用時，對其進行噴丸強化處理，如此一拉便可有效提升彈簧表面的殘余應力。以厚度為6.3㎜的彈簧鋼板為例，對三塊同樣規格的彈簧鋼板分別采用不同的工藝處理方式，即不噴丸處理、一般性噴丸處理以及應力噴丸處理，根據結果顯示，經處理后的彈簧鋼板的疲勞極限依次為47.5kg/mm?、72.5kg/mm和102.0kg/mm。由此可見，通過應用殘余應力，可有效提升彈簧鋼板的疲勞強度。

2.2 曲軸

由于曲軸的形狀具有一定的特殊性，因而其應力的分布也呈現出不均勻的狀態。以某一經過精細打磨后的滾壓圓角為例，其中，滾壓力為300kg，因滾壓形成的塑變層厚度為1.8mm，最終曲軸整體的疲勞性能較之之前提升了38%。

2.3 齒輪

在汽車的正常運行過程中，由于受到外部荷載的影響，齒輪同樣會產生相應的應力。當滲碳層較為薄弱時，此時的齒芯部分大面積的斷面尚未完成滲碳，因而齒輪芯部的殘余應力相對較小，但也足夠應對平衡表面相對較高的殘余應力，而當滲碳層較為厚重時，此時的齒輪芯部的面積就會有所減少，但與此同時，齒輪外部表面的殘余應力也會相應降低。基于殘余應力的相關理論知識可知，滲碳層的厚度不應過大，齒輪芯部位置的強度也不應過大，這樣一來，齒輪才能具備較高的疲勞強度。此外，由于齒輪表面具有一定程度上的麻點危險，因此，沿著齒輪表面的滲碳層應相對較厚，尤其是齒輪的基圓面。

3 結論

總而言之，基于殘余應力的作用方式和產生原因，通過探究殘余應力的具體應用實例可知，通過應用殘余應力，可有效提升部件的疲勞強度，進而大大延長部件的使用壽命。因此，汽車行業相關技術人員必須提高對殘余應力的重視程度，通過采用有效有效手段，發揮殘余應力作用，從而提升汽車零件的疲勞性能。

參考文獻：

[1]何少杰，楊文玉，郭步鵬.機加工表面殘余應力及其疲勞壽命評價的研究進展[J].表面技術，2015，44（06）：120-126+132.

作者簡介：雷科（1986-），男，工學學士，工程師，研究方向：機械人工智能、汽車典型零部件疲勞與優化、高校學生資助管理。