王小海,劉國強(qiáng),楊俊峰,王 磊,潘樹民,王艷麗

(中國兵器內(nèi)蒙古第一機(jī)械集團(tuán)股份有限公司,內(nèi)蒙古 包頭 014030)

零件抗疲勞制造是一門跨學(xué)科的研究領(lǐng)域,它涉及到眾多要素的影響,如加工品質(zhì)、過載、高周疲勞、低周疲勞、腐蝕、熱環(huán)境等[1]。同時(shí),疲勞學(xué)還與數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)和金屬學(xué)等學(xué)科有著密切的聯(lián)系。疲勞學(xué)不僅關(guān)注材料的微觀結(jié)構(gòu)變化,也研究其宏觀表現(xiàn)。在疲勞學(xué)的研究中,機(jī)理和理論的研究與實(shí)驗(yàn)科學(xué)的分析同樣重要。

國際標(biāo)準(zhǔn)化組織于1964年在《金屬疲勞試驗(yàn)的一般原理》中定義了“疲勞”一詞,強(qiáng)調(diào)了高疲勞強(qiáng)度和低裂紋擴(kuò)展速率是結(jié)構(gòu)件獲得抗疲勞性的重要保證。美國試驗(yàn)與材料協(xié)會(huì)進(jìn)一步細(xì)化了這一定義,指出在某一點(diǎn)或某些點(diǎn)承受擾動(dòng)應(yīng)力,并在多次循環(huán)擾動(dòng)作用后形成裂紋或完全斷裂的過程,稱為疲勞[2-3]。疲勞學(xué)主要研究在交變載荷作用下材料、結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度-應(yīng)力-壽命之間的交互關(guān)系[4]。即使應(yīng)力值沒有超過材料的疲勞極限,甚至低于彈性極限,材料或結(jié)構(gòu)也可能在重復(fù)的交變載荷下發(fā)生破壞,這就是疲勞破壞。為了提升材料的疲勞性能,延長構(gòu)件的使用壽命,學(xué)者們提出了抗疲勞制造技術(shù)理念:在零件結(jié)構(gòu)和材料不變的前提下,以改變微觀結(jié)構(gòu)、應(yīng)力分布狀態(tài)為技術(shù)路徑,實(shí)現(xiàn)零件疲勞壽命提升的目的。

美國早在1948年就針對抗疲勞機(jī)械加工技術(shù)開展了研究工作,主要針對2024鋁合金、4340超高強(qiáng)度鋼、Ti6Al4V鈦合金以及Inconel 718高溫合金等。20世紀(jì)70年代初,美國空軍材料實(shí)驗(yàn)室發(fā)布了《機(jī)械加工構(gòu)件表面完整性指南》,標(biāo)志著抗疲勞制造技術(shù)的初步形成[5]。美國F-15、F-16等戰(zhàn)機(jī)的壽命達(dá)到了5 000飛行小時(shí)也得益于美國空軍頒布的軍用飛機(jī)安全-壽命設(shè)計(jì)規(guī)范。20世紀(jì)70年代以來,包括復(fù)合表面強(qiáng)化技術(shù)、低應(yīng)力精密制造技術(shù)等的抗疲勞制造技術(shù)得到了長足發(fā)展。其中,表層硬化工藝的應(yīng)用能夠使結(jié)構(gòu)件的疲勞壽命提高20～40倍,超聲噴丸和激光沖擊等技術(shù)在抗疲勞制造方面的應(yīng)用也取得了顯著的成果。據(jù)報(bào)道,應(yīng)用抗疲勞制造的B-1飛機(jī)機(jī)翼作動(dòng)筒可以有效實(shí)現(xiàn)零部件的減重,相比于Ti6Al4V合金,AF1410超高強(qiáng)度鋼部件可以減重10.6%,而同時(shí)可以降低成本30%以上[6]。

我國也開展了大量的抗疲勞制造研究工作,并取得了一些顯著的成果。例如,通過采用抗疲勞制造技術(shù),超高強(qiáng)度鋼30CrMnSiNi2A制造的機(jī)翼主梁的壽命得到了顯著提高[7]。經(jīng)過抗疲勞加工后,其疲勞裂紋萌生的安全壽命達(dá)到了23 651飛行小時(shí),比之前的4 650飛行小時(shí)有了大幅度提升[8]。此外,在先進(jìn)材料制造領(lǐng)域,高溫合金K4169構(gòu)件表面采用復(fù)合表面強(qiáng)化手段后,其殘余壓應(yīng)力得到了顯著提升,有效延長了高溫合金構(gòu)件的疲勞壽命[9]。

然而,盡管取得了一些成果,但抗疲勞制造仍然面臨著許多挑戰(zhàn)。過早的疲勞失效是目前許多主承力構(gòu)件面臨的主要問題。為了解決這些問題,需要進(jìn)一步加強(qiáng)抗疲勞制造技術(shù)的研究和應(yīng)用推廣,以實(shí)現(xiàn)更長壽命和高可靠性的材料和結(jié)構(gòu)。

1 抗疲勞制造概述

影響疲勞壽命的因素非常復(fù)雜,涉及所采用材料的強(qiáng)度、零件的尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng),如表面殘余應(yīng)力、表面顯微組織和缺口效應(yīng),以及使用環(huán)境下的腐蝕狀況等[10]。通常情況下如構(gòu)件和結(jié)構(gòu)的表面狀態(tài)、缺口形式等對材料或零件的靜態(tài)特性影響微小的因素,對疲勞壽命的影響卻起到了至關(guān)重要的作用。因此,為了更好地探索抗疲勞制造的有效途徑,需深入了解和把握各種因素對疲勞強(qiáng)度的影響規(guī)律。

抗疲勞制造是一種先進(jìn)制造技術(shù)與理念的集成,其涉及結(jié)構(gòu)件全周期制流程[11]。例如,在表層硬化技術(shù)領(lǐng)域中,主要涉及以接觸疲勞為主要失效模式的典型結(jié)構(gòu)件;在機(jī)械加工技術(shù)領(lǐng)域,主要關(guān)注以表面完整性為主要要素的典型結(jié)構(gòu)件;而在表層組織再造改性技術(shù)領(lǐng)域,則聚焦于以疲勞為主要失效模式的構(gòu)件。

抗疲勞原則和“無應(yīng)力集中”的抗疲勞概念是高強(qiáng)度合金構(gòu)件的設(shè)計(jì)、制造加工以及組合裝配過程中必須遵循的法則,其通過降低應(yīng)力集中的抗疲勞設(shè)計(jì)方法和制造技術(shù)來實(shí)現(xiàn)抗疲勞制造。

抗疲勞制造學(xué)融合了單一學(xué)科的基礎(chǔ)性與多學(xué)科交叉性,是一整套系統(tǒng)提升結(jié)構(gòu)件疲勞性能的關(guān)鍵技術(shù)。包括基礎(chǔ)研究領(lǐng)域數(shù)學(xué)-物理-化學(xué)交叉及其耦合演化規(guī)律和原理;在應(yīng)用基礎(chǔ)領(lǐng)域,抗疲勞表面演化、重構(gòu)中所蘊(yùn)含的科學(xué)規(guī)律和原理;以及涉及抗疲勞技術(shù)支撐路徑的各種科學(xué)原理等。此外,在工程實(shí)踐領(lǐng)域,還涉及表面完整性指標(biāo)的表征、評(píng)價(jià)和檢測技術(shù)等。除了常規(guī)的形位、尺寸精度、表面粗糙度、硬度等信息外,還需要對疲勞、應(yīng)力腐蝕、微觀組織結(jié)構(gòu)、應(yīng)力場及其他性能進(jìn)行深入的檢測和研究[12]。在進(jìn)行這些檢測時(shí),除了使用X射線儀等無損檢測儀器外,還需要借助電子顯微鏡如透射電子顯微鏡(TEM)、掃描電子顯微鏡(SEM)、高分辨率電子顯微鏡(HRTEM)等進(jìn)行細(xì)致的觀察和分析。

1.1 疲勞性能的影響因素

1)疲勞強(qiáng)度-靜拉強(qiáng)度-硬度交互關(guān)系。

就常見的鋼鐵材料而言,其疲勞強(qiáng)度與靜拉強(qiáng)度和硬度之間存在著一定的比例關(guān)聯(lián)。通過這種關(guān)聯(lián),可以推算出材料的疲勞強(qiáng)度數(shù)值。

2)微觀組織。

不同的熱處理工藝參數(shù)會(huì)導(dǎo)致不同的組織狀態(tài)與力學(xué)性能,進(jìn)而產(chǎn)生不同的的疲勞強(qiáng)度。

3)表面狀態(tài)。

金屬零部件表面完整性指標(biāo)的變化都可能導(dǎo)致疲勞壽命的顯著差異。在一定條件下,表面狀態(tài)越好,其疲勞性能也就越高。

4)應(yīng)力集中。

應(yīng)力集中是一個(gè)關(guān)鍵因素,應(yīng)力集中區(qū)域通常是疲勞裂紋的起源。隨著應(yīng)力集中系數(shù)的增加,其疲勞開裂的傾向也就越大。

5)尺寸效應(yīng)。

隨著零部件尺寸的增大,形狀相似但大小不同的零部件的疲勞強(qiáng)度通常呈下降趨勢。一般來說,由于尺寸的增加,其材料性能的連續(xù)性在下降,導(dǎo)致疲勞性能的降低。

6)殘余應(yīng)力。

存在于結(jié)構(gòu)件表面的殘余應(yīng)力對其疲勞壽命有著雙重作用,即在優(yōu)化零部件內(nèi)部應(yīng)力分布的同時(shí),也會(huì)提升結(jié)構(gòu)件的疲勞性能。特別值得注意的是,零部件表層的殘余壓應(yīng)力對于提升疲勞強(qiáng)度,尤其是對有缺口的零部件,具有顯著的效果[13]。

7)環(huán)境介質(zhì)。

環(huán)境介質(zhì)(如強(qiáng)酸、強(qiáng)堿、高鹽等腐蝕環(huán)境)對結(jié)構(gòu)件的疲勞性能有著不可忽視的影響。腐蝕介質(zhì)會(huì)侵蝕金屬表面晶界,導(dǎo)致金屬結(jié)構(gòu)件疲勞性能的大幅下降。這種由腐蝕介質(zhì)引發(fā)的疲勞是金屬在特定環(huán)境下的一種重要失效模式。

1.2 提高疲勞性能的途徑

提高金屬材料的抗疲勞性能,可以從以下4個(gè)方面進(jìn)行。

1)進(jìn)行優(yōu)化選材和設(shè)計(jì):根據(jù)實(shí)際需求和工作環(huán)境,選擇具有優(yōu)良抗疲勞性能的金屬材料,并注重零件的細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)中,應(yīng)關(guān)注減少可能導(dǎo)致應(yīng)力集中的因素,從而提高整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。同時(shí),要重視加工精度和表面粗糙度的控制,確保零件的表面質(zhì)量,進(jìn)一步增強(qiáng)其抗疲勞性能。

2)細(xì)化顯微組織和提高冶煉精度:采用晶粒細(xì)化措施,細(xì)化表層組織,降低非金屬夾雜物含量。這可以提高材料的整體均勻性和連續(xù)性,進(jìn)一步增強(qiáng)其抗疲勞性能。同時(shí),提高冶煉精度也是確保材料質(zhì)量的關(guān)鍵步驟。

3)引入殘余壓應(yīng)力:通過特定的處理方法,在金屬材料的表層,人為引入高殘余壓應(yīng)力。這種壓應(yīng)力可以有效地抵消部分外部應(yīng)力,降低應(yīng)力集中的程度,從而延長疲勞壽命。

4)梯度組織強(qiáng)韌性匹配:在保證心部材料強(qiáng)度滿足要求的前提下,通過適當(dāng)?shù)臒崽幚?、表面?qiáng)化等方法,來提高表層的靜態(tài)力學(xué)性能。在循環(huán)應(yīng)力作用下,結(jié)構(gòu)件的表層受到外加載荷的作用產(chǎn)生局部塑性形變,從而達(dá)到延長疲勞壽命的目的。

2 抗疲勞工藝方法

2.1 物理改性

物理方法通過處理使得零部件表層發(fā)生的相變而不是改變表層的化學(xué)成分來提升零件的疲勞強(qiáng)度。常見的表層物理處理工藝包括火焰淬火、高頻感應(yīng)加熱淬火和中頻感應(yīng)加熱淬火等。隨著感應(yīng)熱處理應(yīng)用領(lǐng)域逐漸廣泛,感應(yīng)淬火以其“高效、易控制、低能耗、自動(dòng)化程度高”等特征,從先前單一的提高耐磨性發(fā)展到提高抗彎扭以及疲勞強(qiáng)度等工況,取得了一定的進(jìn)展[14]。曲軸、軋輥、齒輪等重要基礎(chǔ)元件均采用感應(yīng)熱處理來提升結(jié)構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度和服役性能。目前,隨著感應(yīng)熱處理技術(shù)的推廣,火焰淬火技術(shù)已被感應(yīng)淬火所替代。近年來,超聲波、雙頻感應(yīng)加熱淬火等新方法也得到了發(fā)展[15-16]。特別是雙頻感應(yīng)加熱淬火工藝,克服了傳統(tǒng)滲碳工藝“能耗高、周期長、變形大”等不足,美國、德國等先進(jìn)制造國家開展了齒輪、軋輥等重要基礎(chǔ)元件雙頻感應(yīng)加熱淬火工藝研究,找到了提升基礎(chǔ)元件抗疲勞性能的技術(shù)路徑[17]。

通過物理改性火焰熱處理、感應(yīng)熱處理等強(qiáng)化方法可以有效細(xì)化淬硬層中的馬氏體尺寸,在相變過程中獲得具有高強(qiáng)韌性能的微觀組織。與常規(guī)固溶相變強(qiáng)化相比,物理改性后的結(jié)構(gòu)件所獲得的硬度和強(qiáng)度更高,更易獲得較高的疲勞強(qiáng)度。此外,物理改性技術(shù)可使結(jié)構(gòu)件淬硬層中產(chǎn)生較大的殘余壓應(yīng)力,有效抑制裂紋的萌生,因而顯著提高結(jié)構(gòu)件的疲勞性能。

2.2 化學(xué)改性

化學(xué)改性技術(shù)是提高結(jié)構(gòu)件抗疲勞性能的一條重要技術(shù)手段,其主要由活化-分解-吸附-擴(kuò)散等階段,利用化學(xué)改性方法引入碳、氮等強(qiáng)化元素來改變材料表面的化學(xué)成分,這些強(qiáng)化元素在擴(kuò)散過程中會(huì)形成強(qiáng)化元素梯度分布的擴(kuò)散層,顯著提高結(jié)構(gòu)件表層的硬度與強(qiáng)度,增加處理表層的殘余壓應(yīng)力,有利于增強(qiáng)材料的疲勞性能。

化學(xué)改性方法主要包括滲碳、滲氮、復(fù)合硬化工藝、離子注入等工藝。K.Dybowski等[18]研究了AMS6265齒輪鋼在950 ℃低壓滲碳后油淬和氣淬兩種淬火方式對齒輪表面的殘余應(yīng)力和熱處理畸變的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明,AMS6265齒輪鋼滲碳后熱處理過程中,采用氣體淬火可有效降低齒輪表面的殘余應(yīng)力,并大幅度降低熱處理畸變,減少齒輪后續(xù)磨削加工量,進(jìn)而提高疲勞性能。J.F.Canon[19]對滲氮層的微動(dòng)性能進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)當(dāng)表面機(jī)械強(qiáng)度提高時(shí),其表面損傷程度會(huì)相應(yīng)降低。當(dāng)化學(xué)改性后的結(jié)構(gòu)件表層獲得較高的殘余壓應(yīng)力和屈服強(qiáng)度時(shí),可有效降低結(jié)構(gòu)件表面單位面積的載荷,延長了裂紋形核時(shí)間,降低了擴(kuò)展速率,結(jié)構(gòu)件表面的磨損大幅度降低,有利于提高結(jié)構(gòu)件的微動(dòng)疲勞性能。X-20M齒輪鋼經(jīng)復(fù)合硬化工藝后,表面硬度可達(dá)68～72 HRC,較傳統(tǒng)滲碳工藝相比,其彎曲疲勞壽命提升約100倍。研究結(jié)果表明:經(jīng)離子注入后的GCr15軸承鋼90%置信度下接觸疲勞壽命提高99.6%,顯著提高GCr15軸承鋼結(jié)構(gòu)件疲勞性能。

2.3 形變強(qiáng)化

采用形變強(qiáng)化工藝方法,可以使結(jié)構(gòu)件表層產(chǎn)生彈塑性變形層,使得表層微觀組織發(fā)生變化,導(dǎo)致產(chǎn)生較高殘余壓應(yīng)力,進(jìn)而改善結(jié)構(gòu)件疲勞性能。這種壓應(yīng)力有助于減少疲勞裂紋的形成,并抑制疲勞裂紋的早期擴(kuò)展[20-21]。

機(jī)械改性方法是抗疲勞制造中的重要手段,包括滾壓、擠壓、噴丸、干涉配合和拋光處理等[22-27]。其中,結(jié)構(gòu)件噴丸、擠壓、滾壓等強(qiáng)化工藝在改變疲勞強(qiáng)度和服役性能方面應(yīng)用廣泛[28-29]。在噴丸技術(shù)應(yīng)用方面,齒輪、葉片等大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)件均采用噴丸工藝作為表面強(qiáng)化的關(guān)鍵手段,在提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的同時(shí),也提升了結(jié)構(gòu)件的疲勞性能。在擠壓技術(shù)應(yīng)用方面,包括芯棒擠壓和開縫襯套擠壓技術(shù)在內(nèi)的孔冷擠壓強(qiáng)化工藝,已被廣泛應(yīng)用于軍用和民用飛機(jī),其抗疲勞效果顯著[30]。在滾壓技術(shù)應(yīng)用方面,因滾壓強(qiáng)化屬于無切削損傷的表面強(qiáng)化技術(shù),在對結(jié)構(gòu)件滾壓過程中,材料表面及其亞表面產(chǎn)生塑性變形,達(dá)到顯微組織冷硬化和細(xì)晶強(qiáng)化的目的,提升了結(jié)構(gòu)件的疲勞性能[31]。在擠壓技術(shù)研究方面,研究人員通過對GH4169高溫合金結(jié)構(gòu)件進(jìn)行機(jī)械擠壓試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),擠壓強(qiáng)化可顯著降低結(jié)構(gòu)件孔壁表面的粗糙度,減緩孔壁表面的應(yīng)力集中程度,從而實(shí)現(xiàn)提升結(jié)構(gòu)件疲勞性能的目的[32]。在干涉配合方面,目前干涉配合對結(jié)構(gòu)件疲勞性能的影響研究尚不充分,因此需加強(qiáng)強(qiáng)化過程-裝配過程-載荷條件交互關(guān)系研究,建立強(qiáng)化-裝配-載荷耦合關(guān)系,為研究多要素影響下的裝配過程對抗疲勞性能增益提供支撐。在拋光處理方面,研究人員研究了不同工藝流程對結(jié)構(gòu)件疲勞性能的影響。研究結(jié)果表明,銑削-拋光-噴丸-拋光-復(fù)合工藝可實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)件疲勞性能的最大化,且裂紋萌生位置位于結(jié)構(gòu)件的亞表面[33]。

2.4 高能束改性

高能束處理技術(shù)以其獨(dú)特的能量密度特性,在物理、化學(xué)和機(jī)械等多個(gè)方面展現(xiàn)出顯著的效果。材料局部表面施加以極高密度的能量,可以使處理表面發(fā)生特殊的物理、化學(xué)變化,從而顯著提高材料的抗疲勞性能。由于其獨(dú)特的優(yōu)勢,高能束處理技術(shù)具有廣闊的發(fā)展和應(yīng)用前景[34]。

目前,激光噴丸、激光相變強(qiáng)化、激光熔凝、激光熔敷及離子注入等高能束處理技術(shù)正在被深入研究并應(yīng)用于抗疲勞制造。這些技術(shù)具有巨大的發(fā)展?jié)摿?為抗疲勞制造提供了新的解決方案。激光相變硬化工藝在提高材料疲勞性能方面表現(xiàn)出顯著的效果。它通過改變材料表面的物理狀態(tài),強(qiáng)化材料并提高其疲勞性能。同時(shí),處理后的表層內(nèi)應(yīng)力為壓應(yīng)力,有助于提高材料的疲勞壽命。在提高金屬材料疲勞壽命方面,激光沖擊已經(jīng)展現(xiàn)出取代傳統(tǒng)噴丸處理的趨勢[35]。

離子注入技術(shù)通過在材料中引入固溶強(qiáng)化、析出強(qiáng)化和壓應(yīng)力來提高材料的抗疲勞壽命。這種技術(shù)在提高精密結(jié)構(gòu)件的抗疲勞性能方面發(fā)揮重要的作用,因?yàn)樗軌蛟诒３至慵叽缇群捅砻娲植诙鹊耐瑫r(shí),實(shí)現(xiàn)抗疲勞性能的提升。

實(shí)際應(yīng)用中,為了充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢和特點(diǎn),獲得更好的抗疲勞效果,通常是多種抗疲勞制造方法復(fù)合使用。例如,干涉配合技術(shù)和帶襯套擠壓技術(shù)相結(jié)合的方法能夠顯著提高材料的抗疲勞性能。這種復(fù)合方法的應(yīng)用前景廣闊,為抗疲勞制造技術(shù)的發(fā)展提供了新的思路和方向。

3 先進(jìn)抗疲勞制造先進(jìn)技術(shù)

3.1 復(fù)合噴丸強(qiáng)化

噴丸強(qiáng)化工藝作為一種有效的抗疲勞制造技術(shù)途徑,廣泛應(yīng)用于航空、航天、汽車、運(yùn)載等高端裝備制造領(lǐng)域。通過對結(jié)構(gòu)件表層噴射彈丸,使表層在冷作硬化作用下產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力。結(jié)構(gòu)件表面金屬晶體在高速運(yùn)動(dòng)的彈丸流不斷沖擊下,發(fā)生晶粒破碎、晶格歪扭并產(chǎn)生大量的高密度位錯(cuò)[36]。表面金屬材料發(fā)生塑性變形,在結(jié)構(gòu)件表層和亞表面形成殘余壓應(yīng)力及應(yīng)力梯度。噴丸強(qiáng)化時(shí),鋼丸流反復(fù)向結(jié)構(gòu)件表面沖擊產(chǎn)生2個(gè)方向的力:切向力造成表面彈塑性延伸;法向力引起赫之應(yīng)力,造成一定深度內(nèi)的最大切應(yīng)力,引起該區(qū)域的彈塑性噴丸后塑性變形的保留與彈性變形的松弛,使結(jié)構(gòu)件表層產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力[37]。

通過前期研究噴丸強(qiáng)度、彈丸直徑等工藝參數(shù)對齒輪疲勞壽命的影響發(fā)現(xiàn),噴丸工藝會(huì)顯著改善材料的疲勞性能,提升幅度可達(dá)20%～30%,是延長齒輪服役壽命的重要工藝手段。研究人員對噴丸與未噴丸齒輪表面點(diǎn)蝕數(shù)量進(jìn)行了研究,結(jié)果表明:噴丸強(qiáng)化可顯著提升齒面抗點(diǎn)蝕能力[38]。隨著噴丸強(qiáng)化工藝技術(shù)的不斷進(jìn)步,數(shù)字化噴丸技術(shù)、激光噴丸技術(shù)、超聲噴丸技術(shù)等一大批先進(jìn)噴丸技術(shù)得到應(yīng)用,為提升結(jié)構(gòu)件疲勞性能提供支撐。

3.2 高壓射流改性

高壓射流改性技術(shù)是近三十多年來迅猛發(fā)展的新技術(shù)之一,其具有“能量高、改性層深、應(yīng)用范圍廣、零污染”等典型技術(shù)特征。其改性路徑為結(jié)構(gòu)件表層在多種介質(zhì)高速?zèng)_擊、碰撞下發(fā)生了彈塑性變形,產(chǎn)生了殘余壓應(yīng)力,從而提高了結(jié)構(gòu)件的周期疲勞強(qiáng)度。研究表明[39-40],對鎳基高溫合金GH4169結(jié)構(gòu)件進(jìn)行高壓射流改性,可產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力層深約為1 mm的壓應(yīng)力梯度層,疲勞極限提升1倍以上,低周疲勞壽命可提升30%以上。

與傳統(tǒng)的噴丸強(qiáng)化相似,高壓射流改性工藝的強(qiáng)化作用也由組織強(qiáng)化和應(yīng)力強(qiáng)化共同構(gòu)成,可有效控制疲勞源的萌生和裂紋的擴(kuò)展。高壓射流改性技術(shù)具有先進(jìn)性和優(yōu)勢,目前該技術(shù)的研究剛剛起步,理論和技術(shù)仍有待進(jìn)一步發(fā)展和完善。

3.3 激光沖擊強(qiáng)化

激光沖擊處理技術(shù)(Laser Shock Processing)是一種新型的表面強(qiáng)化技術(shù),它利用高功率密度(GW/cm2)和短脈沖(ns量級(jí))激光束在金屬材料或零件表層產(chǎn)生數(shù)百兆帕的殘余應(yīng)力,從而提高金屬材料性能。由于其強(qiáng)化原理與噴丸相似,因此也被稱為激光噴丸(Laser Shock Peening)[41]。

短脈沖激光束作用于金屬表面時(shí),激光能量被金屬表面吸收層吸收,并使表層金屬發(fā)生爆炸性氣化蒸發(fā),產(chǎn)生高溫、高壓的等離子體。受到約束的等離子體產(chǎn)生沖擊波,這種高強(qiáng)度壓力的沖擊波作用于金屬表面并向內(nèi)部傳播。沖擊波峰值壓力超過材料屈服強(qiáng)度時(shí),材料表層就會(huì)發(fā)生應(yīng)變硬化,并殘留很大的壓應(yīng)力。

材料發(fā)生塑性變形的原因是在激光沖擊波作用下,沖擊區(qū)內(nèi)產(chǎn)生平行于材料表面的拉應(yīng)力,而當(dāng)激光作用結(jié)束后,在沖擊區(qū)周圍材料的反作用下沖擊區(qū)產(chǎn)生了壓應(yīng)力[42]。這種殘余壓應(yīng)力可以降低交變載荷中的拉應(yīng)力水平,從而提高疲勞裂紋萌生壽命。同時(shí),殘余壓應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致裂紋的閉合效應(yīng),使疲勞裂紋擴(kuò)展的有效驅(qū)動(dòng)力降低[43]。

綜上所述,激光沖擊處理技術(shù)通過在金屬材料表層產(chǎn)生高強(qiáng)度壓應(yīng)力,改善了金屬材料的抗疲勞性能和抗應(yīng)力腐蝕能力,從而延長了金屬材料的使用壽命。

3.4 滾壓強(qiáng)化

滾壓強(qiáng)化技術(shù)是結(jié)構(gòu)件抗疲勞制造重要工藝,它可使結(jié)構(gòu)件的強(qiáng)度得到提高,其產(chǎn)生的殘余壓應(yīng)力則能消除結(jié)構(gòu)件因機(jī)械加工、熱處理、焊接、激光切割、電鍍或硬化涂層形成的拉應(yīng)力。滾壓過程中晶粒晶格的畸形在使用過程中不易產(chǎn)生裂紋擴(kuò)展,從而提高零件的抗疲勞性能和抗應(yīng)力腐蝕能力,延長零件使用壽命[44]。隨著滾壓技術(shù)的發(fā)展,超聲滾壓技術(shù)逐漸推廣,它克服傳統(tǒng)滾壓工藝“低效、過硬化、硬化層剝落”等瓶頸問題,有效提升結(jié)構(gòu)件的抗疲勞性能。研究人員通過工藝模擬仿真與工藝驗(yàn)證的方式驗(yàn)證了超聲滾壓技術(shù)對提升結(jié)構(gòu)件抗疲勞性能的作用。黃麗滿[45]研究了25CrNi2MoVA鋼超聲滾壓工藝,獲得了優(yōu)化工藝并進(jìn)行了疲勞性能試驗(yàn),其疲勞極限可達(dá)970 MPa,有效提升了該鋼種的疲勞性能。屈盛官等[46]研究了超聲表面滾壓加工對20CrMoH鋼摩擦磨損性能的影響,研究結(jié)果表明:超聲表面滾壓工藝可改善材料的表面質(zhì)量,細(xì)化組織,提升表面硬度、殘余壓應(yīng)力與耐磨性能,進(jìn)而為提升抗疲勞性能提供支撐。

3.5 表面完整性加工

中國工程院趙振業(yè)院士指出,表面完整性是指通過控制加工工藝方法所形成的表面狀態(tài),它涵蓋了制造過程中材料表面可能發(fā)生的各種改變及其對構(gòu)件性能的影響。為了確保構(gòu)件的表面完整性,必須發(fā)展和采用抗疲勞制造技術(shù)?？蛊谥圃斓暮诵脑谟诳刂票砻嫱暾?它以疲勞性能為主要目標(biāo),并采用先進(jìn)的制造技術(shù)[47]。這與傳統(tǒng)的“成形”制造方法存在顯著差異。

應(yīng)力集中是疲勞研究中的核心問題,主要來源于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造加工以及使用環(huán)境的影響。局部細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)的優(yōu)化可以緩解結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)力集中;通過表面防護(hù)措施可以預(yù)防使用環(huán)境引發(fā)的缺陷,如腐蝕麻點(diǎn)。然而,制造加工所形成的刀痕、劃傷等缺陷常常會(huì)提高結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中系數(shù),給零部件帶來極大的安全隱患。研究顯示[48],硬度越高的材料,其對應(yīng)力集中越敏感,因而這類材料加工過程中產(chǎn)生的應(yīng)力集中更為突出。在高硬度構(gòu)件上,應(yīng)力集中甚至可能超過抗拉強(qiáng)度,導(dǎo)致材料完全喪失抗疲勞性能。在疲勞失效的高強(qiáng)度構(gòu)件中,超過80%的裂紋起始于刀痕、劃傷或夾雜物等缺陷處。

研究學(xué)者們對高強(qiáng)度構(gòu)件的應(yīng)力集中敏感問題與表面完整性加工進(jìn)行了大量研究,涉及工藝參數(shù)、新工藝、模擬和預(yù)測以及基礎(chǔ)理論等多個(gè)方面。機(jī)械加工過程中,最終的精加工步驟(如磨削、鉸削、銑削等)對表面完整性起著決定性作用[49]。嚴(yán)重影響材料的使用壽命和可靠性的零部件表面損傷、表層組織和殘余應(yīng)力場的變化均與切削過程中的熱、力以及環(huán)境因素等有關(guān)。

近年來,隨著新工藝技術(shù)的不斷發(fā)展,涌現(xiàn)出了許多先進(jìn)技術(shù),如高速銑削、車削、磨削、低應(yīng)力磨削、預(yù)拉應(yīng)力磨削技術(shù)、高能表面改性技術(shù)、表面超硬化技術(shù)、表面完整性評(píng)價(jià)和精密定量檢測技術(shù)以及加工過程的計(jì)算機(jī)模擬和預(yù)測技術(shù)等。這些新工藝技術(shù)具有多學(xué)科交叉的特點(diǎn),融合了材料技術(shù)、制造技術(shù)、物理、化學(xué)、力學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域的知識(shí),形成了一種綜合性的工程學(xué)科領(lǐng)域[50]。

4 抗疲勞制造技術(shù)發(fā)展趨勢

抗疲勞制造是一種先進(jìn)的制造技術(shù),同時(shí)也是一種全新的制造理念。這一理念覆蓋了構(gòu)件制造的主要技術(shù)領(lǐng)域,包括表層硬化技術(shù)、機(jī)械加工技術(shù)以及表層組織再造改性技術(shù)等。在這些領(lǐng)域中,抗疲勞制造的應(yīng)用旨在提高構(gòu)件的疲勞性能,延長其使用壽命。

抗疲勞制造的理念強(qiáng)調(diào)在構(gòu)件的設(shè)計(jì)、制造加工以及組合裝配的全過程中,都應(yīng)遵循抗疲勞的原則,采用降低應(yīng)力集中的抗疲勞設(shè)計(jì)方法和制造技術(shù)。

在過去的幾十年中,抗疲勞制造技術(shù)不斷創(chuàng)新發(fā)展,使構(gòu)件的服役性能得到了顯著提升。然而,隨著高性能、小型化、輕量化、經(jīng)濟(jì)可承受性和超高強(qiáng)度材料技術(shù)的發(fā)展,抗疲勞制造的重要性愈發(fā)凸顯。特別是美國國防部在20世紀(jì)末提出的CAIV(Cost as an Independent Variable)理念,即性能與費(fèi)用同等重要的經(jīng)濟(jì)可承受觀念后,抗疲勞制造顯得尤為重要。

作為一個(gè)具有完整制造體系的國家,我國在飛機(jī)、車輛、艦船及其動(dòng)力裝置、各種精密機(jī)械等領(lǐng)域均需要實(shí)現(xiàn)抗疲勞制造。這不僅有助于提高產(chǎn)品的性能和可靠性,還有助于推動(dòng)我國制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)和高質(zhì)量發(fā)展。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和應(yīng)用領(lǐng)域的拓展,抗疲勞制造將迎來更加廣闊的發(fā)展前景和更高的技術(shù)平臺(tái)。

抗疲勞制造的科學(xué)內(nèi)涵十分復(fù)雜,涉及眾多科學(xué)問題和方法的解決。在構(gòu)筑抗疲勞表面時(shí),需要研究物理、化學(xué)及其耦合演化規(guī)律和原理;在構(gòu)件服役過程中,需要探索抗疲勞表面演化、重構(gòu)的各種科學(xué)規(guī)律和原理;在設(shè)計(jì)抗疲勞制造方法時(shí),也需要探究各種科學(xué)原理。

此外,抗疲勞制造還涉及表面完整性表征、評(píng)價(jià)和檢測技術(shù)。除了常規(guī)的形位、表面粗糙度、硬度等信息外,還需要對疲勞性能、應(yīng)力腐蝕、組織結(jié)構(gòu)、應(yīng)力梯度以及其他表面完整性性能進(jìn)行檢測。

5 結(jié)語

抗疲勞制造技術(shù)在航空、航天、車輛、鐵路交通和風(fēng)電等領(lǐng)域中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。通過對抗疲勞制造技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢進(jìn)行全面的分析,可以深入了解該領(lǐng)域的最新進(jìn)展和未來的發(fā)展方向。隨著智能制造技術(shù)和新材料研發(fā)的不斷進(jìn)步,有望進(jìn)一步擴(kuò)展抗疲勞制造技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域,并不斷提升其性能和可靠性。期待該領(lǐng)域的研究與實(shí)踐能夠不斷取得創(chuàng)新成果,為相關(guān)工業(yè)領(lǐng)域的進(jìn)步和發(fā)展做出更大的貢獻(xiàn)。