基于表面納米技術的含裂紋薄板疲勞壽命分析

李作武，郭經(jīng)緯

(中國兵器裝備集團 自動化研究所裝藥中心， 四川 綿陽 621000)

【化學工程與材料科學】

基于表面納米技術的含裂紋薄板疲勞壽命分析

李作武，郭經(jīng)緯

(中國兵器裝備集團 自動化研究所裝藥中心， 四川 綿陽 621000)

通過材料表面納米技術處理含裂紋316L不銹鋼薄板，薄板在一端固支，另一端受循環(huán)載荷情況下，疲勞壽命得以提高。裂紋尖端附近區(qū)域大小改變時的表面納米處理的效果不同，為類似結(jié)構的疲勞壽命的提高提供了一種新思路。

表面納米技術；平面薄板；疲勞壽命

平面薄板結(jié)構在生產(chǎn)加工中，由于環(huán)境因素、人為因素和技術因素等影響，常有微裂紋的出現(xiàn)。當薄板受到與裂紋垂直方向的拉升載荷，容易導致裂紋擴展。若薄板受到的力很小，在循環(huán)載荷下，疲勞壽命會大大降低[1-2]。作者提出了一種可以延長含裂紋薄板結(jié)構疲勞壽命的方法。加筋處理就是在裂紋局部附加結(jié)構，增強零件的抗拉和抗彎強度，而表面納米處理后，材料的力學性能得到改善，跟加筋處理效果一樣。

1 基本問題

HUANG等[3-4]2005年提出了一種表面納米技術，通過對材料表面機械摩擦處理，改變材料表層的晶體結(jié)構，使材料的彈性模量、屈服極限、強化極限等力學性能有了很大提升。

在本研究中，薄板材料選用316L不銹鋼，它的力學性能參數(shù)及表面納米處理后的力學性能參數(shù)如表1[5]所示。由于表面納米處理只能滲透材料表面0.1 mm，材料的最終力學性能表現(xiàn)為二者的綜合情況。從表1可以看出，表面納米處理后，彈性模量、屈服極限和強化極限都得到提升。316L不銹鋼的在表面納米處理前后的S-N數(shù)據(jù)參照表如表2[6]。雖然納米表面處理后與原材料相比，在受相同循環(huán)載荷時，材料的疲勞壽命有一些降低，但綜合表1數(shù)據(jù)來看，由于納米表面處理后材料的各項力學性能都有了提升，實際上材料受力在屈服極限內(nèi)疲勞壽命有了很大提升。

表1 材料力學性能

表2 316L不銹鋼S-N數(shù)據(jù)參照表

平面薄板的厚度為1 mm，尺寸參數(shù)如圖1所示。薄板為對稱結(jié)構，單位為mm。一端固支，另一端受均勻拉伸循環(huán)載荷，單位為MPa。裂紋位于薄板左側(cè)邊緣的正中間位置，裂紋方向與薄板上下兩端平行。

圖1 含裂紋薄板參數(shù)

當薄板受拉后，由于裂紋的存在，導致應力集中，具體表現(xiàn)在裂紋尖端附近的應力比其他區(qū)域的應力大很多。當最大應力超出強化極限后，裂紋發(fā)生擴展。即使薄板所受拉力很小，由于應力集中產(chǎn)生的最大應力也會很大。當薄板受到的拉力為對稱循環(huán)載荷時，疲勞壽命就會比無裂紋薄板低很多。本文主要研究最大應力低于強化極限情況時薄板的疲勞壽命。

2 疲勞壽命的計算

通過仿真軟件ANSYS和se-safe計算得到：當薄板受到的循環(huán)載荷P=50 MPa時，它的疲勞壽命曲線的具體分布如圖2，該曲線是薄板裂紋尖端局部放大曲線，疲勞曲線呈指數(shù)分布。疲勞壽命為10的n次方。數(shù)字越小區(qū)域，疲勞壽命越短。薄板的最小疲勞壽命出現(xiàn)在裂紋尖端區(qū)域，疲勞壽命為8 537次。

薄板在全部區(qū)域都進行表面納米處理后，得到的疲勞壽命分布曲線如圖3，同樣也是裂紋尖端局部放大，最小疲勞壽命為 14 710次?？梢钥闯?，材料的疲勞壽命有了明顯提高。且與圖2對比，材料的整體疲勞壽命分布情況有了非常明顯的改善，從最初的扇形分布變成了圓環(huán)狀分布。

圖2 50 MPa時原始材料的疲勞壽命分布曲線

圖3 50 MPa時全區(qū)域表面納米處理疲勞壽命分布曲線

雖然對材料的全部區(qū)域進行納米處理能有效提升材料的疲勞壽命，但這樣會消耗很多人力、物力。由于材料的應力集中只出現(xiàn)在裂紋尖端區(qū)域，因此考慮只在裂紋尖端區(qū)域進行表面納米技術處理。為了方便研究處理區(qū)域大小對材料疲勞壽命的影響，對薄板進行區(qū)域劃分，分成了4個圓環(huán)，分別稱為一環(huán)，二環(huán)，三環(huán)和四環(huán)，如圖4所示(為了方便標注圓環(huán)，裂紋長度未參照比例顯示)。其中一環(huán)的半徑為2 mm，二環(huán)的半徑為4 mm，三環(huán)的半徑為6 mm，四環(huán)的半徑為8 mm。

圖4 薄板圓環(huán)區(qū)域劃分

1) 對一到四環(huán)區(qū)域都表面納米處理，其余區(qū)域不處理。材料的最小疲勞壽命為 6 658 次，比原材料還低很多。分析原因為表面納米處理后， 材料剛性更大，裂紋尖端區(qū)域應力集中更嚴重，因此對裂紋尖端區(qū)域表面不需要納米處理。

2) 對二、三、四環(huán)區(qū)域表面納米處理，其余區(qū)域都不處理，材料的最小疲勞壽命為 20 943 次。與材料和全區(qū)域表面納米處理對比，疲勞壽命有了非常大的提升。

3) 僅對二環(huán)區(qū)域表面納米處理，其余區(qū)域都不處理。材料的最小疲勞壽命為20 943次，與上一種情況一樣，

4) 對二環(huán)和四環(huán)區(qū)域表面納米處理，其余區(qū)域都不處理，材料的最小疲勞壽命為37 196次，最小疲勞壽命有了更進一步的提升。說明在這幾種方法中，這種方法效果最好。

當薄板受到的循環(huán)載荷為100 MPa時，原材料的最小疲勞壽命僅有1 518次。在對二環(huán)和四環(huán)區(qū)域表面納米處理，其余區(qū)域都不處理，材料的最小疲勞壽命為4 870次，最小疲勞壽命同樣有巨大提升。

3 結(jié)論

含裂紋薄板受到拉力時，在裂紋尖端區(qū)域產(chǎn)生應力集中。當載荷變?yōu)檠h(huán)載荷時，薄板的最小疲勞壽命也在裂紋尖端區(qū)域。表面納米技術能有效提高薄板的最小疲勞壽命，通過表面納米處理對材料的疲勞壽命有不同程度的提高。

[1] 傅祥炯.結(jié)構疲勞與斷裂[M].西安:西北工業(yè)大學出版社,1995.

[2] 張安哥,朱成九,陳夢成.疲勞、斷裂與損傷[D].成都:西南交通大學出版社,2006.

[3] CHEN X,LU J,LU L,et al.Tensile properties of a nanocrystalline 316L austenitic stainless steel[J].Scripta Materialia,2005,52:1039-1044.

[4] HUANG H,WANG Z,LU J,et al.Fatigue behaviors of AISI 316L stainless steel with a gradient nanostructured surface layer[J].Acta Materialia,2015,87:150-160.

[5] 辛素敏.316L不銹鋼表面納米化后疲勞機理分析[D].貴陽:貴州大學,2009.

[6] 韓同偉.316L 不銹鋼表面納米化后的低周疲勞性能研究[D].貴陽:貴州大學,2006.

(責任編輯楊繼森)

ANewMethodforImprovingtheFatigueLifeofThinPlatewithCrack

LI Zuowu, GUO Jingwei

(Center of Ammunition Charging, Automation Research Institute of China South Industries Group Corporation, Mianyang 621000, China)

The treatment is taken on the thin plate with crack by the surface self-nanocrystallization.316L stainless steel is being used as the basic material, which can improve its fatigue life in the case of one side that being fixed and the other side under the symmetrical cyclic load. The different shape under the surface self-nanocrystallization near the area of crack tip achieving different effects.And it provid a new idea for improving the fatigue life of the similar structure.

technology of surface self-nanocrystallization；plane plate；fatigue life

2017-04-23；

：2017-05-21

：國防科工局技術基礎科研項目( JSCG2015209B001)

李作武(1977—)，男，高級工程師，主要從事彈藥裝藥及裝備自動化研究。

10.11809/scbgxb2017.09.034

format:LI Zuowu, GUO Jingwei.A New Method for Improving the Fatigue Life of Thin Plate with Crack[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(9):161-163.

TQ423

：A

2096-2304(2017)09-0161-03

本文引用格式：李作武，郭經(jīng)緯.基于表面納米技術的含裂紋薄板疲勞壽命分析[J].兵器裝備工程學報，2017(9):161-163.