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(fā)生損壞，這個過程主要分為三個階段，即受理表面開始出現(xiàn)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(tài)，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(xiàn)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(chǎn)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(tǒng)之中，彈性力始終處于平衡狀態(tài)，也就是說壓力的總和與拉力的總和相等。此外，經(jīng)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(chǎn)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(chǎn)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(xiàn)殘余應力與交變應力的疊加，可使平均應力產(chǎn)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(chǎn)生，其后阻礙其擴展和深入。根據(jù)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(chǎn)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(chǎn)生原因

1.2.1 塑性變形

零件的塑性變形極有可能產(chǎn)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(chǎn)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(qū)域之下的材料則會產(chǎn)生往上反彈的趨勢，但由于已出現(xiàn)塑性變形情況的材料無法恢復到原先狀態(tài)，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(xiàn)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(yōu)越性，其所產(chǎn)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(chǎn)生殘余應力，第二，表面馬氏體結構的變化進而產(chǎn)生殘余應力，第三，表面淬硬的加強作用。而滲氮處理則能產(chǎn)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(xiàn)膨脹進而產(chǎn)生殘余應力，雖然所產(chǎn)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(chǎn)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(fā)生塑性變形，進而產(chǎn)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(jù)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(guī)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(jù)結果顯示，經(jīng)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(xiàn)出不均勻的狀態(tài)。以某一經(jīng)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(chǎn)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?；跉堄鄳Φ南嚓P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(chǎn)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(yè)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(fā)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(yōu)化、高校學生資助管理。