圆柱螺旋弹簧的正断/切断型疲劳断裂模式与提高其疲劳断裂抗力的途径

结合承受扭转切应力和轴向正应力圆柱体的受力分析,讨论了圆柱螺旋弹簧发生的正应力断裂,纵向以及横向切应力断裂等3种疲劳断裂模式。结果指出,喷丸引入的残余正应力(即应力强化机制)只影响正应力而不影响纵/横向切应力断裂模式的疲劳强度(寿命)。但喷丸引起表面形变层内的组织结构改性(即组织结构强化机制)却能提高所有3种断裂模式的疲劳断裂抗力。     

金属材料的喷丸强化原理及其强化机理综述

在喷丸强化机理中,除了“应力强化机制”之外,还存在另外一种“组织结构强化机制”.为了证明这一种新强化机制的存在,采用了XRD、喷丸残余应力、显微硬度以及疲劳等各种试验方法,对喷丸靶材表层的组织结构改性后的力学行为进行了试验测定.结果表明:喷丸引入靶材的残余压应力是一种改善疲劳断裂抗力的“应力强化机制”,但是它只能改善正断型模式而不能用来改善切断型模式的疲劳断裂抗力.对改善切断型模式的疲劳断裂抗力起决定性作用的是“组织结构强化机制”.因此作者认为,喷丸强化机理中至少存在上述两种强化机制.     

汽车悬架簧早期疲劳断裂原因的试验研究

采用同一种55CrSi钢但抗拉强度相差7%的两种钢制成的弹簧,虽经过同一台喷丸机床喷丸强化处理,但在疲劳抽检试验时发现,强度稍高的簧达到了规定的疲劳断裂寿命(N=4×105cycles)要求,而强度稍低者的疲劳断裂寿命为N=2.6×105cycles。制造者认为,材料的抗拉强度偏低是导致发生早期疲劳断裂的主要原因。但是通过本文完成的大量试验及其分析表明,由于弹簧在线生产中喷丸强度的偏低、喷丸工艺欠稳定、以及喷丸质量监控的缺乏等所导致的组织结构强化效应的降低,是发生早期纵向切断型(LSF)模式疲劳断裂的主要原因。这一分析结果表明,弹簧的喷丸强化工艺不良,是导致发生早期疲劳断裂的主要原因。由此可见,只有正确地认识和恰当地运用喷丸强化工艺中的"显微组织结构强化机制",才有可能有效地避免弹簧发生早期纵/横向切断型(LSF/TSF)模式的疲劳断裂,从而制造出具有高疲劳断裂抗力的NTF模式疲劳断裂的弹簧。     

工业纯钛喷丸强化研究

采用TEM结合SEM和XRD对工业纯钛喷丸强化后显微组织结构、断口形貌、残余应力进行分析,研究了影响疲劳性能的3个因素即：组织、应力、粗糙度。结果表现：孪生是六方合金的塑性变形主要形式,喷丸强化表层形变组织由孪晶和变形带构成,表层孪晶间强烈交互作用,可造成显微损伤;表层残余应力在疲劳后发生明显松驰,有益贡献也相应的降低;表面粗糙度提高,具有负的影响。     

7A09超高强铝合金表面强化实验研究

利用气动式喷丸机对7A09超高强铝合金试样进行喷丸强化,对喷丸强化前后试样小孔两侧残余应力分布进行测试,探讨了喷丸时间对7A09铝合金疲劳寿命的影响,分析机械喷丸强化前后铝合金试样疲劳断口。结果表明,机械喷丸强化后,7A09超高强铝合金表层分布高幅值残余压应力,表层残余压应力分布显著地降低了疲劳裂纹扩展速率,疲劳寿命明显提高;通过扫描疲劳断口,发现未处理试样的疲劳裂纹源位于孔壁上表面的尖角处,而机械喷丸强化试样的裂纹源逐渐转移到强化层以内,在最终断裂区内分布大量韧窝,且韧窝形态随喷丸时间的延长而增大,并且韧窝尺寸更深,说明机械喷丸改善了最终断裂区的塑性。     

扭转疲劳断裂机制图

本文研究了40Cr钢不同回火态,不同应力水平下缺口扭转疲劳断裂的寿命、宏观断口类型和微观断裂机制。断口分析表明,在同一回火温度下,随着应力的升高,断裂类型由正应力断裂→纵向剪切断裂→横向剪切断裂转变;同一应力水平下,随着强度的增加,断裂类型由剪切型向正断型转变;正断型的断裂机制为:T→S+I→D+I,剪切型的断裂机制为:T→S′→D。根据本工作结果总结出扭转疲劳断裂机制图。     

喷丸强化因素对Ti合金微动疲劳抗力的作用

探讨了喷丸强化（SP）三因素（残余压应力引入,表面粗糙度增大和表面加工硬化）在改善Ti合金微动疲劳（FF）性能中的作用规律和机制。结果表明,SP引入表层残余应力和导致粗糙度增大对提高Ti合金FF抗力起重要作用。前者的作用大于后者,且二者之间存在协同作用效应,即SP表面因粗糙度增大而减缓了表层残余应力的SP引入的表面残余应力主要通过增加裂纹闭合力,抑制FF裂纹早期扩展来提高FF抗力。在表面应力集中严重的接触几何条件下,裂纹扩展控制FF过程,此时SP层残余应力的作用更加显著。     

喷丸强化因素对Ti811合金高温微动疲劳抗力的影响

探讨了高温下喷丸强化（SP）因素（残余压应力引入、表面粗糙度增大、表面加工硬化等）对Ti811钛合金微动疲劳（FF）抗力的作用规律和机制。结果表明，SP处理可以有效地提高350℃高温下Ti811合金的微动疲劳抗力，但对500℃下FF抗力有不利影响：SP引入的表层残余压应力增加裂纹闭合力，是SP提高350℃高温下钛合金FF抗力最为重要的因素，SP表面加工硬化的作用为次要因素；SP造成的粗糙度增大在350℃和500℃高温下对钛合金的FF抗力呈现出不利的作用，原因是表面机械损伤的影响突出，这种影响与残余压应力的存在状态有关。     

喷丸强化对车辆传动齿轮裂纹扩展影响的研究综述

疲劳断裂是重载车辆传动齿轮的主要失效形式之一,齿轮底部疲劳裂纹的扩展将缩短车辆传动系统的服役寿命,严重时会导致车辆发生安全事故。延缓裂纹扩展的主要方法是在传动齿轮的表面引入一定大小的残余压应力。喷丸技术是一种冷加工表面强化处理工艺,该技术利用高速弹丸冲击材料表面,使零件表层产生塑性应变的同时,在表面和内部引入残余压应力,从而使裂纹闭合的能力得到强化,达到延缓裂纹扩展的强化效果。为了更好地揭示喷丸引入的残余压应力对疲劳裂纹扩展的影响,首先综述了传动齿轮表面疲劳裂纹产生的原因以及疲劳裂纹的扩展行为对重载车辆服役的影响。从强度因子、J积分以及裂纹闭合效应出发,介绍了传动齿轮表面疲劳裂纹扩展的理论以及残余压应力与疲劳裂纹扩展速率之间的关系。其次概述了目前国内外常用的新型有益于将残余拉应力转化为残余压应力的微粒子喷丸、激光喷丸、超声喷丸方法,并与传统机械喷丸技术相比较,阐述了新型喷丸表面强化技术的优缺点。此外,从数值模拟和试验结果两方面,论述了喷丸速度、喷丸角度、弹丸直径、弹丸材质和覆盖率5个工艺参数对在传动齿轮表面引入残余压应力的改善影响。最后对喷丸强化技术在传动齿轮上的多目标参数优化以及多尺度残余压应力与疲劳性能进行了展望,并结合重载车辆的使用需求,强调需要创新设计一种效率高、价格低、适用性广的喷丸技术,以进一步推动喷丸强化在延缓疲劳裂纹扩展方面的持续发展。     

喷丸强化对FGH4097粉末高温合金室温高周疲劳极限的影响

对FGH4097粉末高温合金进行喷丸强化,测定室温下高周疲劳极限,利用SEM观察疲劳断口特征及喷丸表面形貌,X射线应力仪和超微小动态显微硬度仪测定试样表层残余应力(σr)和超显微硬度(DHV),采用EBSD及TEM观察喷丸强化层的微观特征。结果表明:室温下,与未喷丸试样相比,喷丸后残余压应力更大、更深、更稳定,有利于提高疲劳裂纹萌生抗力及降低裂纹扩展速率;喷丸表层的高位错密度、大量小角度晶界及软取向晶粒数量减少阻碍疲劳裂纹在表面萌生,从而FGH4097高周疲劳极限提高20.7%。     

The Effect of Shot Peening on the Fatigue Strength of Pure Titanium

The changes of the substructure, the residual stress and the surface roughness of shot peened pure titanium were analyzed by means of SEM, TEM, XRD and surface roughness measurements in this paper. The results show that shot peening increased the fatigue strength of pure titanium. The substructures of shot peened pure titanium consist of dislocations, deformation twins and deformation bands. Fatigue loading will relax the compressive residual stress and decrease the strengthening effect. The increased surface roughness has negative effects.     

喷丸对H13钢单边带缺口试样疲劳裂纹扩展行为的影响

喷丸工艺通过改变试件的表面形貌、微观组织及残余应力等表面完整性可以影响裂纹的萌生和扩展;对于存在缺陷的试件,喷丸的作用机制和影响结果有所不同。采用白光干涉仪、SEM、XRD及显微硬度计等对单边带缺口的H13钢薄板试样喷丸前后的表面完整性进行了测定。并借助原位SEM开展了系列裂纹扩展试验,分析了喷丸对试样疲劳寿命、裂纹扩展速率以及疲劳断口特征的影响。研究结果表明,虽然残余压应力诱发裂纹闭合,但由于喷丸后表面粗糙度的大幅提高增强了缺口效应,表面加工硬化使得韧性有所降低,以及残余应力在加载过程中发生松弛等因素,喷丸后单边带缺口试样的裂纹萌生过程缩短,疲劳寿命降低,且裂纹扩展速率的变化较小。喷丸前后疲劳断口形貌均为准解理特征,喷丸后断口近表面处的撕裂棱特征消失。     

表面强化对工业纯钛显微组织的影响

工业纯钛经喷丸,滚压强化后,疲劳强度得到不同程度的提高,逐层TEM亚结构对比分析结果表明,工业纯钛疲劳强度的提高和强化层组织中孪晶的形成有关,工业纯钛疲劳前后组织中主要是位错数量的变化,而强化试样疲劳前后组织的结构既有位错,孪晶数量的变化,又有孪晶－晶界,孪晶－孪晶之间的交互作用,喷丸较滚压强化效果显著的部分原因是表层形成了准孪晶栅栏。     

Ti2AlNb金属间化合物喷丸强化残余应力模拟分析与疲劳寿命预测

目的 研究经喷丸强化处理后Ti2AlNb材料表层残余应力的分布特征,并预测残余应力对材料疲劳性能的影响规律。方法 通过贴应变片逐层钻孔法,对使用喷丸强化处理后的Ti2AlNb试样进行残余应力测试分析,得到引入残余应力场各方面的测试数据,结合ABAQUS数值模拟方式,对比分析试验与模拟残余应力场结果,获取材料的最终残余应力梯度。利用FE-SAFE软件,通过叠加残余应力场的方式,预测喷丸强化前后试样的疲劳寿命。结果 在文中加工参数下,实验测试和软件模拟结果的重合度良好。喷丸强化可在Ti2AlNb金属间化合物靶材内引入300 MPa左右的最大残余压应力,深度达到了0.12 mm左右。材料表面塑性应变分布不均匀,且造成的塑性应变距表面深度可达0.1 mm。通过喷丸强化引入残余压应力,预测的Ti2AlNb材料疲劳极限可提高12%,高低周疲劳寿命均有明显的延寿效果。结论 验证了有限元数值模拟此材料喷丸强化的准确性和可靠性,得到了Ti2AlNb材料喷丸强化的残余应力场。由于塑性变形诱发机制的限制,喷丸造成塑性应变分布不均匀,塑性应变层深小于残余压应力层深。此外,强化后材料的疲劳性能显著提高,疲劳极限有可观的提升,且高低周疲劳均有较好的延寿效果。     

喷丸压力对GH3535合金表面状态及疲劳性能的影响研究

分别采用0.3MPa、0.45MPa和0.6MPa喷丸压力对GH3535高温合金表面进行喷丸。利用扫描电子显微镜（SEM）观察合金表面形貌、强化层组织结构,通过金相显微镜（OM）、维氏硬度计、X射线应力分析仪分析表层晶粒度、表层显微硬度、表层残余应力分布及X射线衍射峰半高宽。在室温条件下进行高周疲劳实验,并通过扫描电子显微镜（SEM）观察分析断口形貌特征。结果表明:GH3535合金喷丸后表层形成了晶粒细化层、硬化层和残余压应力层。且合金表面产生的晶粒细化层厚度、硬化层厚度以及残余压应力层厚度均随着喷丸压力的增加而提高。喷丸压力在0.3MPa～0.6MPa范围内,疲劳寿命受喷丸压力的影响较为敏感,且疲劳寿命随着喷丸压力的增加而提高。当喷丸压力为0.6MPa时,喷丸产生的效果最优,疲劳寿命提高了471.1%。喷丸后GH3535合金疲劳寿命的提高得益于合金表面状态的改善。     

表面喷丸强化处理对TC11钛合金疲劳性能的影响

目的改善TC11钛合金的抗疲劳性能。方法采用喷丸表面强化工艺对TC11钛合金进行了表面强化处理,研究了喷丸强化处理、喷丸+二次喷丸强化处理对TC11钛合金试样表面粗糙度、残余应力、显微组织及疲劳性能的影响。结果喷丸处理能够在试样表层引入厚度约230?m的残余压应力场,但同时导致试样表面粗糙度值增加。喷丸后进行表面二次喷丸,试样表面残余压应力值和残余压应力峰值提高,但残余压应力峰值的位置和残余压应力层的厚度变化不大。二次喷丸对试样表面起到一定程度的修复作用,使试样表面粗糙度值降低。喷丸后试样表层组织发生明显的塑性变形,晶粒变细,而喷丸+二次喷丸处理可使试样表层组织得到进一步细化。喷丸处理后,试样的疲劳强度由480 MPa提高至540 MPa,提高了12.5%,二次喷丸使试样的疲劳强度提高至570 MPa,在喷丸的基础上继续提高了5.5%。结论喷丸后对试样表面进行二次喷丸对表层残余应力场的影响不大,二次喷丸主要通过降低试样表面粗糙度值和细化试样表层组织,使试样的疲劳强度得到进一步提高。     

湿喷丸强化对TC4疲劳性能的影响机制

利用湿喷丸技术对TC4钛合金进行表面改性处理,显著提高了材料疲劳寿命。对疲劳断口微观组织观察发现,湿喷丸强化处理使试样疲劳裂纹萌生位置由表面转移至试样内部约1 mm深度区域。通过对湿喷丸改性层微观组织分析可知,改性层内的细晶强化和位错强化是导致裂纹萌生位置发生改变的主要因素。湿喷丸引入的残余压应力对裂纹扩展起到有效的阻碍作用。细晶强化、位错强化和残余压应力共同作用提高TC4钛合金的抗疲劳性能。