表面完整性對噴丸強化疲勞性能影響的研究綜述

王哲

摘 要：從表面粗糙度、殘余應力、微觀組織等方面，總結表面完整性對疲勞性能影響的研究進展，分析表明：表面粗糙度、殘余應力對疲勞性能影響顯著；加工產生的晶粒細化、高密度位錯等有助于提高疲勞壽命。實現疲勞強度和表面完整性的互逆設計是抗疲勞制造的發展方向。

關鍵詞：表面完整性；疲勞性能；表面粗糙度；殘余應力；微觀組織

中圖分類號：TG54 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2018）07-0052-02

A Review for the Effect of Surface Integrity on Fatigue Properties

WANG Zhe

（Xi'an Aeronautical Polytechnic Institute， Xi'an Shaanxi 710089）

Abstract： The research progress on the effect of surface integrity on fatigue properties is reviewed in terms of surface roughness， residual stress， microstructures and so on. The analysis indicates that the surface roughness and residual stress have significant influence on fatigue performance. Besides， grain refinement and high-density dislocation produced by machining contribute to fatigue life. Realizing mutual inverse design of fatigue strength and surface integrity is the development direction of anti- fatigue manufacturing.

Keywords： surface integrity；fatigue progress；surface roughness；residual stress；microstructure

1 表面粗糙度

保證加工表面完整性，提高疲勞強度，已經成為制造業的重要方向。相同情況下，表面完整性等級越高，抗疲勞能力越強[1]。

吳凌飛[2]通過研究發現，表面粗糙度Ra≤0.4μm時，經0.25mmA鑄鋼丸噴丸強化后疲勞壽命提高了約2個數量級，裂紋源從表面轉向表層；Ra為1.6～2.0μm時，經0.35mmA鑄鋼丸噴丸強化后疲勞壽命提高23倍，裂紋源仍然在表面。季秀生[3]通過研究噴丸強化后表面粗糙度和疲勞壽命的關系，提出表面粗糙度是影響疲勞性能的因素之一，較好的表面粗糙度可以獲得較好的疲勞性能。Andre[4]發現，當工件表面凸起缺陷超過材料固有缺陷時，表面粗糙度對疲勞壽命具有顯著影響；裂紋源產生于氣孔、夾雜物和機加缺陷處，表面劃痕、擦傷等缺陷易產生應力集中，加劇裂紋的產生與擴展，造成疲勞斷裂；光滑表面阻礙零件表面裂紋源的產生和擴展。

2 殘余應力

殘余應力是材料受機械外力和熱應力共同作用后產生的自相平衡的應力。通過表面硬化處理產生殘余壓應力，可有效提高疲勞強度。James[5]研究發現，噴丸后葉片殘余應力小于600MPa時，可以大大提高其疲勞壽命。Torres[6]發現，隨著噴丸強度的增加，最大殘余壓應力增加，殘余壓應力場寬度增加，表面殘余應力受噴丸參數影響較小，噴丸殘余壓應力場使中等和高周循環的疲勞裂紋產生于表面之下，所有低周循環下和未噴丸試件疲勞裂紋均產生于表面。Smith[7]研究了高強度鋼AISI52100在5種加工工藝下表面完整性對疲勞性能的影響。結果表明：白層對疲勞壽命并不是有害的，疲勞壽命與表面殘余壓應力及最大殘余壓應力成正比。高玉魁[8]對鈦合金TC18噴丸強化后的表面粗糙度、殘余壓應力及疲勞性能進行了研究，發現噴丸強化使鈦合金疲勞裂紋源由多源變為單源，疲勞裂紋源萌生于表面強化層下，鈦合金疲勞強度可提高30%左右。

3 微觀組織

微觀組織是影響疲勞強度的第三個重要因素，表層金屬塑性變形增大，使表層組織硬化和晶粒變細，形成致密的纖維狀，能有效阻止晶體滑移并形成殘余壓應力層，從而改善工件表面的耐磨性和耐蝕性。Altenberger等[9]研究了滾壓強化處理對Ti-6Al-4V高溫疲勞壽命的影響，發現550℃條件下，盡管殘余應力松弛較為嚴重，但滾壓強化仍能有效延緩疲勞裂紋的擴展，提高疲勞壽命，此時滾壓強化形成的晶粒細化對疲勞壽命的影響占主導地位。王仁智[10]提出了“疲勞裂紋萌生微細觀過程理論”和“內部疲勞極限”，給出噴丸強化機理中存在應力強化機制和組織結構強化機制，發現噴丸后的表面應變層產生高的位錯密度和晶粒細化有利于提高疲勞性能。張建斌等[11]研究了噴丸強化中TA2顯微組織對疲勞性能的影響，發現噴丸強化表層有高密度位錯、變形帶和準孿晶柵欄出現，近表面強化層組織中形成的高密度位錯和大量變形孿晶是疲勞強度提高的主要因素。田唐永[12]通過對比不同晶粒度TC4鈦合金疲勞性能得出，晶粒越細，疲勞強度越好，濕噴丸強化效果越明顯。

綜上所述，加工產生的晶粒細化層、近表面強化層組織中形成的高密度位錯和大量變形孿晶有利于提高疲勞性能。

4 總結

在表面粗糙度、殘余應力和微觀組織三個表面完整性特征中，表面粗糙度對疲勞性能的影響最大；殘余壓應力越大疲勞壽命越大，殘余拉應力對疲勞壽命有害；加工產生的晶粒細化、高密度位錯等對疲勞壽命有利。但是，現有研究主要是根據試驗數據獲得疲勞性能隨表面完整性特征的變化趨勢，還未形成系統完善的抗疲勞表面完整性控制體系。建立系統的抗疲勞表面完整性控制理論模型，實現疲勞強度和表面完整性的互逆設計是抗疲勞制造的發展方向。

參考文獻：

[1]王仁智.工程金屬材料/零件的表面完整性及其斷裂抗力[J].中國表面工程，2011（5）：55-57.

[2]吳凌飛，王強，張志剛，等.噴丸強度對不同粗糙度表面超高強度鋼疲勞性能的影響[J].材料保護，2014（8）：46-50.

[3]季秀升，李小強，鄧同生.TA15鈦合金噴丸強化[J].塑性工程學報，2012（3）：76-78.

[4]Andre XS， Sehitoglu H. A computer model for fatigue crack growth from rough surfaces[J]. International Journal of fatigue， 2000（7）：619-630.

[5]James M N，Newby M，Hattingh D G，et al. Shot-peening of steam turbine blades： Residual stresses and their modification by fatigue cycling[J]. Procedia Engineering，2010（1）：441-451.

[6]Torres MAS， Voorwald HJC. An evaluation of shot peening， residual stress and stress relaxation on the fatigue life of AISI 4340 steel[J]. International Journal of Fatigue， 2002（8）：877-886.

[7]Smith S， Melkote S N， Lara-Curzio E， et al. Effect of surface integrity of hard turned AISI 52100 steel on fatigue performance[J]. Materials Science & Engineering A，2007（1–2）：337-346.

[8]高玉魁.TC18超高強度鈦合金噴丸殘余壓應力場的研究[J].稀有金屬材料與工程，2004（11）：1209-1212.

[9]Altenberger I，Nalla R K，Sano Y，et al. On the effect of deep-rolling and laser-peening on the stress-controlled low- and high-cycle fatigue behavior of Ti–6Al–4V at elevated temperatures up to 550 °C[J]. International Journal of Fatigue，2012（44）：292-302.

[10]王仁智，姚枚.疲勞裂紋萌生的微細觀過程與內部疲勞極限理論[J].金屬熱處理學報，1995（4）：26-34.

[11]張建斌.鈦表面機械強化及其激光合金化研究[D].蘭州：蘭州理工大學，2007.

[12]田唐永.TC4鈦合金噴丸強化組織與性能研究[D].大連：大連理工大學，2012.