表面完整性對(duì)高強(qiáng)度鋼疲勞壽命影響的試驗(yàn)研究

劉彥臣，龐思勤，王西彬，解麗靜

(1.北京理工大學(xué) 機(jī)械與車輛學(xué)院，北京100081;2.中北大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山西 太原030051)

0 引言

隨著機(jī)械制造科學(xué)和技術(shù)的發(fā)展，切削加工朝著精密與超精密加工方向邁進(jìn)。大量實(shí)踐表明，現(xiàn)代工業(yè)中有80%以上的零部件是在循環(huán)載荷的情況下發(fā)生疲勞失效的，零部件的疲勞壽命很大程度上由其表面加工質(zhì)量決定[1－2]。因此，研究零部件的表面完整性對(duì)其疲勞壽命的影響非常必要。近年來，高強(qiáng)度鋼以其優(yōu)良的性能獲得了廣泛的應(yīng)用，目前各國都投入大量的人力物力致力于高強(qiáng)度鋼切削工藝的研究[3]。本文通過對(duì)高強(qiáng)度鋼34CrNiMo6 試件的彎曲疲勞試驗(yàn)，研究了表面粗糙度、殘余應(yīng)力和加工硬化對(duì)高強(qiáng)度鋼彎曲疲勞壽命的影響。

1 疲勞試件的制備

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用材料34CrNiMo6 為Cr－Ni－Mo 系低合金高強(qiáng)鋼，因其優(yōu)秀的綜合機(jī)械性能，廣泛用于制造發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸及連桿等重要零件。因此對(duì)該材料進(jìn)行切削試驗(yàn)和疲勞壽命試驗(yàn)極具意義。試驗(yàn)材料熱處理狀態(tài)為滲碳淬火，主要化學(xué)成分如表1 所示。20 ℃下力學(xué)性能如表2 所示。

表1 34CrNiMo6 的化學(xué)成分質(zhì)量百分比Tab.1 Chemical composition of 34CrNiMo6 %

表2 34CrNiMo6 材料物理性能(20 ℃)Tab.2 Mechanical properties of 34CrNiMo6 (20 ℃)

1.2 試驗(yàn)方案

疲勞試驗(yàn)試件的結(jié)構(gòu)尺寸如圖1 所示。試件的加工在Cincinnati HAWK TC150 數(shù)控車床上進(jìn)行，為了保證試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，所有試件的粗加工均采用相同的切削參數(shù)，刀具材料選用KENNAMETAL(肯納)WC－Tic－Tac(NbC)－Co 硬質(zhì)合金刀片，最后一道工序采用不同的切削參數(shù)，獲得不同表面完整性的試件，詳細(xì)切削參數(shù)如表3 所示。按表3 的切削參數(shù)加工8 組試件，每組10 個(gè)。測量每個(gè)試件的表面粗糙度、殘余應(yīng)力和微觀硬度，測量完成的試件按組進(jìn)行彎曲疲勞壽命試驗(yàn)。

圖1 試件的結(jié)構(gòu)尺寸Fig.1 Specimen configurations

2 試件表面完整性檢測

2.1 表面粗糙度的檢測

表面完整性是指已加工表面的幾何參數(shù)和物理性能，如表面粗糙度、殘余應(yīng)力、硬度及微觀組織等[4]。表面完整性的一個(gè)重要參數(shù)是表面粗糙度。疲勞裂紋一般在試件的表面產(chǎn)生，粗糙表面的溝痕會(huì)引起應(yīng)力集中，改變材料對(duì)疲勞裂紋的抗力[3]。試驗(yàn)中使用北京時(shí)代集團(tuán)公司生產(chǎn)的TR240 便攜式表面粗糙度測量儀，測量試件的表面粗糙度。每一個(gè)加工表面均采取多點(diǎn)測量取平均值的方法獲得表面粗糙度結(jié)果。表面粗糙度的評(píng)定參數(shù)很多，其中Ry值為參考長度內(nèi)輪廓波峰到波谷的最大高度，其數(shù)值能直接反映試件表面應(yīng)力集中程度，Ry值越大應(yīng)力集中程度越劇烈。如圖2 所示不同切削條件下的表面粗糙度Ry值。觀察圖中的數(shù)據(jù)曲線可知:試件表面粗糙度Ry值隨著進(jìn)給速度的增加而變大，隨著刀尖半徑的增加而變小;實(shí)際測得的粗糙度值比理論值大。Ry值的理論計(jì)算公式[5]:

表3 疲勞試件采用的切削參數(shù)Tab.3 Cutting conditions of specimen

式中:f 為進(jìn)給速度，單位:mm/r;R 為刀尖半徑，單位:mm.

圖2 切削參數(shù)對(duì)表面粗糙度的影響Fig.2 Effect of cutting conditions on surface roughness

圖3 已加工表面粗糙度示意圖Fig.3 Machined surface roughness

試件表面的車削紋理如圖3 所示。圖中Ry值為理想狀態(tài)下波峰至波谷的距離。A 點(diǎn)為刀尖瞬時(shí)圓心，AB 和AD 的長度均為刀尖半徑R，BC =f/2，則CD 的長度即為理想狀態(tài)下的Ry值。由以上條件求解:CD=AD－AC;AC=(AB2－BC2)1/2，得

將切削參數(shù)代入(2)式，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際粗糙度值對(duì)比，發(fā)現(xiàn)(2)式的結(jié)果小于實(shí)際值，添加修正項(xiàng)，得到適用于試驗(yàn)切削條件的粗糙度Ry值的近計(jì)算公式

由以上分析可知，加工表面的粗糙度很大程度上取決于進(jìn)給速度和刀尖半徑。要獲得較好的表面光潔度，可采用適當(dāng)減小進(jìn)給速度和加大刀尖半徑的方法。但減小進(jìn)給速度會(huì)增加切削時(shí)間，加大刀尖半徑會(huì)加劇振動(dòng)、縮短刀具壽命。

2.2 表面殘余應(yīng)力的檢測

表面完整性的另一個(gè)重要參數(shù)是表面殘余應(yīng)力。除了表面粗糙度外，切削引起的殘余應(yīng)力對(duì)疲勞壽命也有重要影響。當(dāng)試件表面的殘余應(yīng)力疊加到疲勞載荷上時(shí)，就會(huì)改變疲勞循環(huán)的平均應(yīng)力[6]，影響試件的疲勞壽命。試驗(yàn)采用愛斯特應(yīng)力技術(shù)有限公司生產(chǎn)的X－350A 型射線應(yīng)力測量儀，測量試件的殘余應(yīng)力。試驗(yàn)所采用的測量方法為側(cè)傾角法，設(shè)定參數(shù):X 光管高壓25 V，X 光管電流6 mA，掃描范圍145° ～169°.測量過渡圓角處10 個(gè)點(diǎn)的殘余應(yīng)力值，取平均值為該組試件的表面殘余應(yīng)力，結(jié)果如圖4(a)～圖4(b)所示，分別給出了不同切削參數(shù)條件下試件表面沿切向和軸向的殘余應(yīng)力值。由圖數(shù)據(jù)可知，切向和軸向殘余應(yīng)力均為壓應(yīng)力;切向和軸向殘余應(yīng)力都隨進(jìn)給速度的增加而變大，隨刀尖半徑的增大而變大。軸向殘余應(yīng)力的大小將影響試件的彎曲疲勞壽命[7]。

圖4 已加工表面的殘余應(yīng)力Fig.4 Residual stress on machined surface

2.3 加工硬化

加工硬化是影響試件疲勞壽命的另一重要因素。試件表面的加工硬化使試件表面產(chǎn)生塑性變形，表面組織纖維化，屈服強(qiáng)度提高，硬度增加，阻止位錯(cuò)線向表面伸出，推遲疲勞裂紋的產(chǎn)生[8－9]。本研究中使用日本Future－Tech 產(chǎn)FM－300 顯微硬度儀測量試件表面顯微硬度。壓頭載荷100 g，取5 次測量結(jié)果的平均值為表面硬度，結(jié)果如圖5 所示。試件表面的顯微硬度隨著進(jìn)給速度的增加而增加，隨著刀尖半徑的增大而增加。加工硬化對(duì)試件疲勞性能的影響取決于載荷形式、表面應(yīng)力狀態(tài)、硬化程度、試驗(yàn)溫度等因素的共同作用[9]。

3 彎曲疲勞試驗(yàn)

疲勞試驗(yàn)設(shè)備采用東風(fēng)汽車有限公司生產(chǎn)的PDC－2 型電動(dòng)諧振式疲勞試驗(yàn)機(jī)，性能指標(biāo)如表4所示。

表4 諧振式疲勞試驗(yàn)機(jī)的主要性能指標(biāo)Tab.4 Main specifications of resonant fatigue test machine

諧振彎曲疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)的試驗(yàn)現(xiàn)場如圖6 所示。

圖6 彎曲疲勞試驗(yàn)現(xiàn)場Fig.6 Site of bending fatigue test

試件通過錐形套直接與2 個(gè)相同結(jié)構(gòu)尺寸的慣性擺臂固定裝夾，共同構(gòu)成了1 個(gè)類似“音叉”的彎曲疲勞諧振系統(tǒng)。電動(dòng)激振器通過推桿與一側(cè)的擺臂固定連接，當(dāng)推桿沿其軸向以諧振系統(tǒng)的固有頻率做往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，就會(huì)激起系統(tǒng)共振，起到彎曲疲勞效果。在試件過渡圓角45°處黏貼應(yīng)變片測量彎矩載荷下的圓角應(yīng)力。對(duì)試件施加彎曲載荷，以掃頻法確定激振頻率135 Hz，在系統(tǒng)諧振頻率下降1 Hz時(shí)中止試驗(yàn)[10－11]，此時(shí)的加載循環(huán)數(shù)即為試件的彎曲疲勞壽命。對(duì)試件施加8 N·m 的彎曲載荷，疲勞試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果按壽命長短排序如表5 所示。

表5 試件在8 N·m 的彎曲載荷下的疲勞壽命Tab.5 Fatigue life of specimen at 8 N·m bending load

由表5 統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，采用小的刀尖半徑和小的進(jìn)給速度加工34CrNiMo6，其彎曲疲勞壽命普遍較高，采用大的刀尖半徑和大的進(jìn)給速度加工高強(qiáng)度鋼會(huì)導(dǎo)致其疲勞壽命降低。分析其原因:小的進(jìn)給量降低表面粗糙度，有利于提高疲勞壽命;大的刀尖半徑產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力，表面殘余應(yīng)力的增大導(dǎo)致高強(qiáng)度鋼的疲勞壽命降低。

4 表面完整性對(duì)彎曲疲勞壽命的影響

4.1 表面粗糙度對(duì)疲勞壽命的影響

眾所周知，粗糙的表面會(huì)降低疲勞壽命，因?yàn)榇植诒砻娈a(chǎn)生應(yīng)力集中誘發(fā)裂紋的萌生。在上述試驗(yàn)條件下，試件的表面粗糙度對(duì)34CrNiMo6 高強(qiáng)度鋼疲勞壽命的影響如圖7 所示。

圖7 表面粗糙度與疲勞壽命之間的關(guān)系Fig.7 Relationship between surface roughness and fatigue life

當(dāng)Ry＜10 μm 時(shí)，表面粗糙度對(duì)疲勞壽命的影響非主導(dǎo)因素，此時(shí)表面殘余應(yīng)力對(duì)疲勞壽命的影響較大，表面殘余壓應(yīng)力大疲勞壽命高，表面殘余壓應(yīng)力小疲勞壽命低，故當(dāng)Ry＜10 μm 時(shí)，出現(xiàn)了疲勞壽命波動(dòng)現(xiàn)象;當(dāng)Ry＞10 μm 時(shí)，表面粗糙度對(duì)疲勞壽命的影響趨勢明顯，隨粗糙度的增加疲勞壽命普遍變降低。分析結(jié)果表明:試件的疲勞壽命不能完全由表面粗糙度確定，通過選擇適當(dāng)?shù)那邢鲄?shù)可獲得較高的疲勞壽命。

4.2 殘余應(yīng)力對(duì)疲勞壽命的影響

如圖8 所示，在上述試驗(yàn)條件下，殘余應(yīng)力對(duì)高強(qiáng)度鋼疲勞壽命的影響趨勢明顯，試件的疲勞壽命隨殘余應(yīng)力的增加而降低。當(dāng)殘余應(yīng)力小于0，即殘余應(yīng)力為壓應(yīng)力時(shí)，高強(qiáng)度鋼的彎曲疲勞壽命普遍提高，且隨著殘余壓應(yīng)力的增大，試件的疲勞壽命急劇提高。

殘余應(yīng)力的影響可認(rèn)為是其同外載荷疊加作用的效果。殘余應(yīng)力同外載荷的代數(shù)疊加將改變循環(huán)疲勞載荷的平均應(yīng)力水平。根據(jù)平均應(yīng)力作用的Goodman 關(guān)系式，可列寫試驗(yàn)中殘余應(yīng)力對(duì)疲勞極限影響的關(guān)系式:

圖8 軸向殘余應(yīng)力與疲勞壽命之間的關(guān)系Fig.8 Relationship between axial residual stress and fatigue life

式中:σe為含非零平均應(yīng)力的疲勞極限;σm為外載荷平均應(yīng)力;σr為表面殘余應(yīng)力;σts為材料的抗拉強(qiáng)度。分析(4)式關(guān)系可知:殘余壓應(yīng)力降低載荷的平均應(yīng)力水平，提高試件的疲勞極限，起到提高疲勞壽命的作用;反之，殘余拉應(yīng)力作用相反，降低試件的疲勞壽命。圖8 的結(jié)果與(4)式表示的關(guān)系相吻合。

4.3 加工硬化對(duì)疲勞壽命的影響

試件的表面微觀硬度和疲勞壽命之間的關(guān)系如圖9 所示。疲勞壽命隨表面硬度的增加而降低;加工硬化程度越嚴(yán)重高強(qiáng)度鋼的彎曲疲勞壽命越低。

圖9 表面硬度與疲勞壽命之間的關(guān)系Fig.9 Relationship between surface hardness and fatigue life

5 結(jié)論

在車削加工中，表面完整性對(duì)34CrNiMo6 高強(qiáng)度鋼的彎曲疲勞壽命影響顯著。

1)當(dāng)表面粗糙Ry＞10 μm 時(shí)，表面粗糙度對(duì)彎曲疲勞壽命的影響較大;表面殘余應(yīng)力對(duì)彎曲疲勞壽命影響顯著、趨勢明顯，殘余應(yīng)力大的試件疲勞壽命低，反之殘余應(yīng)力小的試件疲勞壽命較高，尤其當(dāng)殘余應(yīng)力小于－200 MPa 時(shí)，34CrNiMo6 的彎曲疲勞壽命隨殘余應(yīng)力的減小而大幅度提高;加工硬化對(duì)34CrNiMo6 高強(qiáng)度鋼疲勞壽命有不利影響。

2)采用小的刀尖半徑和小的進(jìn)給速度加工34CrNiMo6 高強(qiáng)度鋼，能獲得較高的疲勞壽命;采用大的刀尖半徑和大的進(jìn)給速度加工高強(qiáng)度鋼對(duì)其疲勞壽命不利。

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