機(jī)械加工表面完整性影響試件疲勞性能的研究現(xiàn)狀

蘇昊

（遼寧工程職業(yè)學(xué)院，遼寧 鐵嶺 112008）

經(jīng)過筆者長(zhǎng)時(shí)間的工作經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，筆者發(fā)現(xiàn)機(jī)械加工工藝和各項(xiàng)生產(chǎn)條件都會(huì)對(duì)試件的加工表面完整性產(chǎn)生較大的影響作用，從而對(duì)試件自身的疲勞性產(chǎn)生影響。針對(duì)此種情況，進(jìn)行機(jī)械加工表面完整性各項(xiàng)指標(biāo)和其形成機(jī)理就顯得十分有必要，并且該項(xiàng)研究是進(jìn)一步提高試件疲勞性能的最佳途徑。在世界上有非常多的傳記學(xué)者對(duì)此方向進(jìn)行了研究與分析，并且也產(chǎn)生了很多研究成果與發(fā)現(xiàn)。不過需要注意的是，在很多方面的研究還沒有做到完美，還需要同行繼續(xù)進(jìn)行研究與分析。

一、機(jī)械加工表面完整性對(duì)試件疲勞性能的影響

（一）表面粗糙度對(duì)試件疲勞性能的影響

第一點(diǎn)，在行業(yè)中絕大多數(shù)的專家學(xué)者都認(rèn)為加工表面粗糙度被認(rèn)為是表面完整性中最關(guān)鍵的一項(xiàng)指標(biāo)，使生產(chǎn)過程中想要獲得高質(zhì)量的零件加工的重要指標(biāo)。除此之外，在生產(chǎn)過程中某些條件的影響下，加工表面粗糙度也同樣會(huì)對(duì)零件生產(chǎn)的疲勞性產(chǎn)生非常重大的影響，通過實(shí)驗(yàn)證明了表面粗糙度的區(qū)別也同樣會(huì)對(duì)零件自身的疲勞性產(chǎn)生非常重大的影響。在通常情況下，生產(chǎn)過程中的表面粗糙度越大，也就會(huì)造成零件表面的微觀溝痕越深，并且局部應(yīng)力集中的情況也會(huì)趨于嚴(yán)重，這將會(huì)在很大程度上破壞試件的疲勞性能。舉例來說，在法國(guó)航空制造工程師學(xué)院任教的Suraratchai 教授等專家學(xué)者就曾對(duì)航空鋁合金表面粗糙度對(duì)試件疲勞壽命的影響規(guī)律進(jìn)行了有限元建模的試驗(yàn)，通過本次的實(shí)驗(yàn)Suraratchai 教授發(fā)現(xiàn)，伴隨著生產(chǎn)過程中粗糙度數(shù)值逐漸地趨于擴(kuò)大，那么試件自身的疲勞性能也出現(xiàn)了逐漸下降的情況，特別是當(dāng)試件處于低周疲勞的情況下，這種情況將會(huì)被無線放大，該實(shí)驗(yàn)證明了機(jī)械加工表面完整性與試件疲勞性能之間處于負(fù)相關(guān)的關(guān)系。

（二）表面硬化對(duì)試件疲勞性能的影響

在實(shí)際的機(jī)械加工的過程中，在對(duì)表面硬化的工件進(jìn)行加工的過程中，主要是通過金屬受到切削力的影響，促使工件表面產(chǎn)生嚴(yán)重的變形反應(yīng)，這會(huì)使得金屬自身的晶格發(fā)生大規(guī)模扭曲，導(dǎo)致金屬自身的晶粒破損，進(jìn)而延伸出纖維化以及拉伸的情況，以上這些情況的存在會(huì)進(jìn)一步阻礙金屬的變形反應(yīng)，這時(shí)的工件在加工的過程中表面的硬度上升，難以被加工塑性。但是，在表面完整性的指標(biāo)的測(cè)試中，加工表面硬化是能夠?qū)υ嚰谛阅墚a(chǎn)生影響的重要條件之一。需要注意的是，現(xiàn)階段，專家學(xué)者在研究的過程中，對(duì)加工硬化對(duì)試件疲勞性能產(chǎn)生影響大小的實(shí)驗(yàn)結(jié)果并不完全同意，總的來說，表面加工硬化能夠在一定程度上提升試件疲勞性能，但是在某些特定的環(huán)境條件下，特別是當(dāng)試件處于高溫的環(huán)境中，會(huì)使得加工表面層被拉伸、纖維化金屬組織自身的擴(kuò)散能力進(jìn)一步增強(qiáng)，以上情況的存在就有可能會(huì)造成試件表面的承載能力下降，在這樣的環(huán)境下試件的疲勞性反而會(huì)出現(xiàn)下降的情況。

（三）表面殘余應(yīng)力對(duì)試件疲勞性能的影響

加工表面殘余應(yīng)力主要是指的在進(jìn)行機(jī)械加工過后，工件自身內(nèi)部維持平衡的一種內(nèi)應(yīng)力。在實(shí)際的表面完整性指標(biāo)測(cè)試的過程中，加工表面殘余應(yīng)力同樣是會(huì)對(duì)試件的疲勞性能產(chǎn)生一定的影響。在1950 年左右，Henriksen 教授的團(tuán)隊(duì)就曾進(jìn)行了針對(duì)性的試驗(yàn)，試驗(yàn)的主要方向是零件表面加工產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，Henriksen 教授的團(tuán)隊(duì)認(rèn)為表面加工殘余應(yīng)力是試件生產(chǎn)過程中影響試件疲勞性能一個(gè)非常重要的因素。該實(shí)驗(yàn)的結(jié)果是：殘余應(yīng)力與外加循環(huán)應(yīng)力代數(shù)相加，這會(huì)導(dǎo)致表面涂層材料的承受荷載能力明顯下降，假設(shè)能夠?qū)⒀h(huán)載荷進(jìn)行減小處理，那么試件的疲勞性能將會(huì)獲得大幅度的提升。筆者根據(jù)Henriksen 教授的團(tuán)隊(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得出這樣的結(jié)論：試件生產(chǎn)過程中的表面殘余壓應(yīng)力可以進(jìn)一步提升試件的疲勞性能，不過殘余拉應(yīng)力則會(huì)產(chǎn)生發(fā)作用力，進(jìn)一步降低試件的疲勞性能。

二、分析及結(jié)論

（一）就通常條件而言，伴隨著生產(chǎn)過程中粗糙度數(shù)值逐漸地趨于擴(kuò)大，那么試件自身的疲勞性能也出現(xiàn)了逐漸下降的情況，特別是當(dāng)試件處于低周疲勞的情況下，這機(jī)械加工表面完整性與試件疲勞性能之間處于負(fù)相關(guān)的關(guān)系。

（二）表面加工硬化同樣時(shí)能夠?qū)υ嚰谛阅墚a(chǎn)生影響的重要因素，但是在面對(duì)不同的加工工藝以及試件生產(chǎn)材料，該種影響的規(guī)律也會(huì)出現(xiàn)不同長(zhǎng)度的變化，所以造成了一直沒有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。就通常情況而言，表面加工硬化能夠在一定程度上提升試件疲勞性能，但是在某些特定的環(huán)境條件下，特別是當(dāng)試件處于高溫的環(huán)境中，會(huì)使得加工表面層被拉伸、纖維化金屬組織自身的擴(kuò)散能力進(jìn)一步增強(qiáng)，以上情況的存在就有可能會(huì)造成試件表面的承載能力下降，在這樣的環(huán)境下試件的疲勞性反而會(huì)出現(xiàn)下降的情況。

（三）加工表面殘余應(yīng)力同樣是會(huì)對(duì)試件的疲勞性能產(chǎn)生一定的影響，試件生產(chǎn)過程中的表面殘余壓應(yīng)力可以進(jìn)一步提升試件的疲勞性能，不過殘余拉應(yīng)力則會(huì)產(chǎn)生發(fā)作用力，進(jìn)一步降低試件的疲勞性能。

三、結(jié)語

根據(jù)上文的論述，對(duì)于機(jī)械加工表面完整性影響試件疲勞性能的研究還需要進(jìn)一步地深入，只有具備更加完善的理論才能夠?yàn)榱慵纳a(chǎn)發(fā)揮更好的指導(dǎo)作用，并且進(jìn)一步提升抗疲勞加工技術(shù)在機(jī)械制造領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用范圍。