超声滚压金属材料的疲劳性能研究进展.pdf

第 卷 第 期 年 月应用力学学报 .收稿日期:修回日期:基金项目:国家自然科学基金资助项目(.)陕西省重点研发资助项目(.)上海市自然科学基金资助项目(.)西北工业大学博士论文创新基金资助项目(.)通信作者:孙守义副教授:.引用格式:陈辉涛豆敏李磊等.超声滚压金属材料的疲劳性能研究进展.应用力学学报():.():.文章编号:()孙守义工学博士西北工业大学力学与土木建筑学院副教授年入选陕西省高校科协青年人才托举计划担任 期刊(:)客座编辑中国航空学会、中国力学学会会员 长期从事结构强度寿命评估与抗疲劳制造研究先后主持某国家重大课题专题、国家自然科学基金、博士后科学基金面上项目等国家和省部级项目作为骨干人员参与国家重大课题 余项 近年来在 、等力学和机械顶级期刊发表论文 余篇技术发明专利受理、授权 余项 年荣获中国造船工程学会科技进步一等奖 超声滚压金属材料的疲劳性能研究进展陈辉涛豆敏李磊曾延刘露黄威孙守义(.西北工业大学力学与土木建筑学院 清洁高效透平动力装置全国重点实验室 西安.西北工业大学国家卓越工程师学院 西安)摘 要:超声滚压()技术结合高能冲击和静载滚压的特点处理后工件具有表面光洁度高、变形层深、残余压应力大和晶粒细化明显等优势可通过适当的工艺参数设计极大提高金属材料的疲劳强度因而在制造业得到了广泛应用 自该技术应用至今国内外学者做了大量有关 工艺及性能方面的研究并在多种重要金属材料及关键零部件中应用 截至目前关于 工艺参数对材料表面完整性和疲劳性能的研究比较零散缺乏系统总结 研究首先简要介绍了 的工作原理和可控性然后总结了不同 工艺参数诱导的残余应力和微观组织以及残余应力在疲劳加载过程中的释放规律分析了不同工艺 诱导的表面完整性对疲劳性能的影响及其潜在机理阐述了与 相关的复合强化方法的最新进展并展望了 金属材料的应用前景关键词:超声滚压疲劳性能金属材料残余应力微观组织中图分类号:文献标志码:./.第 期陈辉涛等:超声滚压金属材料的疲劳性能研究进展 投稿网站:/.微信公众号:应用力学学报 (.):().:超声滚压()装置简单、加工路径可控、重复性好是一种旨在提高金属部件疲劳性能的新兴表面改性技术 它结合高能冲击和静载滚压的特点能通过抑制疲劳裂纹萌生和扩展来有效延长材料的疲劳寿命 在 过程中超声振动冲击波诱导金属靶材表面的严重塑性变形()使表面产生高幅残余压应力()、高密度位错和晶粒细化 由于超声振动作用相比于其他的表面强化方法(如激光冲击、喷丸和传统滚压)可显著降低材料的表面粗糙度并引入更深的 从而赋予构件更高的疲劳寿命 据报道静压力为 的 在 表面产生的 幅值相当于幅值 的传统滚压在相同靶材上的作用效果 因此了解 的作用原理及运行方式对其强化机制的理解十分关键图 为处理不同几何尺寸工件的 设备及其示意图 一般而言 系统由超声激振设备、空气静压设备、变幅杆、气缸、变频器以及滚珠组成这种布局赋予 系统幅值可控的静压力、超声激振以及激振频率来对常规棒件(图 )和板件(图 )进行表面强化 装置的工作原理可以分解为以下几个部分:超声波发生器先源源不断地发出一定频率的震荡电波而后该振荡电能被换能器转化为超声频的机械能再经变幅杆的传递和放大功能最终作用到了滚压头上使其以静压加载和超声振动耦合的方式对材料表面进行强化 而在实际操作过程中滚压速度和进给量则是由试样夹具通过平移或转动的方式加以调控 一般而言滚压速度指钢珠的球心相对工件表面运动的线速度进给量指在一个滚压循环内工件沿垂直于滚压速度方向前进的位移 由图 可知就棒状材料而言滚压速度 ()为恒定量其大小为 ()()()式中:为车床主轴的转动角速度 为车床主轴的每分钟转数(即:主轴转速)为棒状材料横截面的半径 为在滚珠压力作用下棒材表面的平均下压量 而进给量()一般以 应用 力 学 学 报第 卷投稿网站:/.微信公众号:应用力学学报恒定的进给速度 ()来表示即()此时滚动压头相对于工件表面的运动轨迹为空间螺旋状 当滚压板件材料时由于在滚压终端(图)滚压速度 需要完成方向的转变因此 为实时变量且其大小以平均速度表示即 /()式中:为滚压长度 为滚珠滚过 过程中消耗的时间 此时当钢珠运动到滚压终端时由于滚压速度为 进给量 在瞬间完成 因此滚动压头相对于工件表面的运动轨迹为平面“之”字形除了以上两种常规尺寸的工件之外近期 等还报道了一种改装版的 系统用以强化齿轮根部并使得齿轮疲劳强度提高一倍其设备和示意图可分别见图()和图()图 设备图和示意图.利用高能冲击和静载滚压对工件表面进行强化可以显著改善材料的抗疲劳性能 任学冲等将 技术应用到 车轴钢的加工中试验结果显示表面改性后材料表面粗糙度从.降低到.微动疲劳寿命提高了近 倍 等对钛合金进行 强化发现其表层产生了 的 晶粒细化层疲劳寿命最大提高了.倍 等将 用于高温合金 的 处 理 在 材 料 表 面 引 入 了 高 达.的 使得其疲劳寿命提高了约 倍 毛淼东论证了 后 合金表面纳米晶粒的形成机制为塑性变形和位错运动主导的晶粒细化过程且指出该组织以及同时诱导的高幅值 使得应力控制和应变控制的低周疲劳寿命均有明显的提升然而由于发热差异性未能有效提高其高周疲劳寿命 邹江河通过优化 工艺参数得到了 钢最深的表面 层()并使得 幅值提高至 从而将材料微动疲劳极限提高了.相反在王震的研究中却发现过度的 在试样中诱导了残余拉应力导致疲劳过程中内部裂纹快速萌生和扩展使得拉压疲劳性能降低同时该不利的应力状态结合扭转剪切应力改变了扭转疲劳裂纹萌生模式导致疲劳扭转过程中裂纹多点萌生显著降低扭转疲劳性能 上述研究指出金属材料疲劳的 强化机制主要归因于表面形貌、表层微观组织、残余应力等因素的协同作用具体包括以下几个方面:表面粗糙度降低表面硬度增大增强了表面抗磨损性能表层的位错增殖和组织细化提高了滑移变形抗力抑制了滑移带的产生较大的 阻第 期陈辉涛等:超声滚压金属材料的疲劳性能研究进展 投稿网站:/.微信公众号:应用力学学报碍了疲劳裂纹的萌生和早期扩展降低了裂纹扩展速率 由此可见 下表面质量变化是提升结构抗疲劳性能的重要原因是解析材料疲劳 强化机制的重要突破点 此外过度的 也会对金属材料疲劳性能产生有害影响 因此 工艺参数的优化对疲劳性能的提升意义重大 强化效果与静压力、超声振幅、进给量、滚压次数等工艺参数密切相关主要体现在强化后、表面粗糙度、微观硬度、表层微观组织结构等表面质量的差异 现有关于工艺参数对表面质量的影响研究表明:静压力、振幅对 影响显著进给量对表面粗糙度的影响最大提高滚压次数会增大表面 值且多次滚压强化后材料的微动疲劳寿命要远高于单次强化结果 对于不同的材料工艺参数对表面质量的影响不尽相同 此外材料本身的各向异性(如晶体取向)对强化后表层微观组织结构及残余应力亦有较大的影响以往的研究主要聚焦 的表面强化和力学模型优化上但缺乏对 材料疲劳行为进行系统的综述 本研究首先总结了不同工艺参数 处理金属的表面完整性包括残余应力、表面形貌和微观组织以及残余应力在疲劳加载过程中的释放其次综述了钢、钛合金、铝合金和镍基高温合金等材料在不同类型的疲劳加载过程中服役寿命的变化并分析了不同工艺 诱导的表面完整性对疲劳性能的影响及其潜在机理然后阐述了与 相关的复合强化方法的最新进展最后展望了 金属材料的应用前景以期为后续高质量和高性能 金属材料的开发设计提供借鉴和参考 诱导的残余应力.滚压参数对残余应力的影响 通过静态滚压和诱导弹塑性应力波来产生残余应力从而导致局部塑性变形 一般情况下 幅值和 深度与 工艺参数密切相关如静压力、超声振动幅值、进给量及滚压速率和滚压次数等 合理 参数引起的 是提高材料疲劳寿命的主要原因之一.静压力静压力对 分布存在重要影响引起不同材料表面产生有效 的静压力范围也存在差异例如 等将 不 同 静 压 力 的 应 用 到 钢发现在 范围内 幅值()和影响层深度(.)均与静压力大小呈正相关 而在 合金中当施加 的静压力时材料表面才生成了有效 类似的现象也在 合金()中报道了然而以上结果仅在一定范围内成立 例如 等研究了不同静压力对 合金残余应力的影响表明随着静压力从 提高到 幅值呈现出先增加后降低的趋势并在 处达到最大值.等关于 弹簧钢的试验结果证明在 区间内 的静压力诱导了最高的 幅值和最大的影响层深度 而 等将不同静压力下 合金的 实测值与模拟值进行对比(图)指出应力最大值出现在 处 从上述文献可知在一定范围内增大静压力会提高 幅值和影响层深度而当施加的静压力高于引起 饱和的阈值时其幅值将降低 这与 过程中位错的增殖和湮灭密切相关图 不同静压力下 合金残余应力模拟与试验结果的对比及其相对误差分析.超声振动幅值一般而言超声振动波的产生和传导会在静压力的作用基础上导致材料表面内应力的重新分布使得 幅值和硬化层深度进一步增加 据报道随着超声振动幅值从 提高至 马氏 应用 力 学 学 报第 卷投稿网站:/.微信公众号:应用力学学报体不锈钢滚压表面的 最大值由 上升至 图 总结了不同超声振动幅值下钢残余应力幅值、硬化层深度和维氏硬度的变化关系 如图所示三者均随着振动幅值的增加而持续增加然而当振幅超过 时硬化层深度达到饱和值 另一方面超声振动对变形层深度的影响也体现在 的峰值位置变化上 等采用弹塑性变形理论对 钢进行数值计算结果表明在一定范围内该深度值()与超声振幅()成正比 而 等指出随着振动幅值的增大工件表面 的峰值位置逐渐向试样内部移动 由此可知超声振动能够对静压力产生的 起增幅作用且其改善程度随着振动幅值的增大而增大图 不同超声振动幅值下 钢表面残余应力、硬化层深度和维氏硬度的变化关系.进给量和滚压速率 过程中进给量和滚压速率对试样表层残余应力的分布同样存在较大影响 与静压力和超声振动幅值相反进给量和滚压速率的增加对 幅值起削弱作用 图 给出了进给量和滚压速度对 钢表面残余应力幅值、硬化层深度和维氏硬度的影响关系 由图()可知随着进给量的增加 和表面硬度有所降低 这是因为在 过程中轴向滚压速度由进给量决定当进给量较大时轴向滚压速度较大试件轴向单位长度的滚压次数降低试件表层塑性变形减少导致 幅值减小 此外滚压速率对上述指标也存在一致的影响趋势(图)相同的结论也在 钛合金中被证实了此外其进一步论证了滚压速率对 演变的潜在原因:由于 压头撞击频率是固定的因此压头撞击样品表面的次数是恒定的 进给量和滚压速率决定了试样表面上滚压方向的连续性 当进给量和滚压速率较大时试样表面的不连续程度增大试样表面的局部位置得不到处理 因此进给量和转速的增大会使粗糙度值增大 进而导致试样的表面塑性变形减弱由此使得硬度和残余应力减小 然而相对超声振动或进给量(图 )滚压速率导致 的变化程度不显著这表明 对滚压速率相对不敏感 更有甚者硬化层深度随进给量的变化而保持不变图 不同进给量和滚压速率下 钢表面残余应力、硬化层深度和维氏硬度的变化关系.第 期陈辉涛等:超声滚压金属材料的疲劳性能研究进展 投稿网站:/.微信公众号:应用力学学报.滚压次数滚压次数直接决定了 压头对材料的下压深度 整体而言滚压次数越多下压深度越大 等采用不同次数的 处理了 车轴钢表明单次 后 厚度较薄约为 当滚 压 次 数 增 加 到 次 时 厚 度 达 到 且在该范围内表面 值和 最大值都随着次数的增加而增加 图 为不同滚压次数下 合金表面残余应力分布注:代表 前的基材()样品()代表进行了 次 处理的样品图 不同滚压次数下 合金表层残余应力分布.由图 可知 最大值均出现在亚表面相比于 等 的变化趋势此研究中表面 值却在单次滚压处存在饱和现象 该现象是由 压头向下压实过程中材料表面向辊道两侧挤压过度的结果 与此同时就 钢而言单次和 次 处理后 最大值分别出现在材料表面和压表面 这说明了当滚压次数较少时滚压深度较小挤压量较少对表面 的弱化可忽略而滚压次数较多时情况则相反表面 损伤随着滚压次数的增加而增加 此外 等报道当塑性变形达到临界值时甚至处于亚表面的 最大值也出现了降低现象 因此合理的滚压次数对 的形成以及随后的疲劳性能都尤为重要.综合影响图 为风电轴承套圈 钢棒状试件在不同位移参数(转动速度、进给速度)下力值参数(静压力、振幅)对残余应力的影响由图 可知在试件转动速度和进给速度的给定范围内表面 随着静压力的增大而持续增大但增速逐渐降低 这说明表面 对静压力的敏感性存在饱和效应 另一方面在较高的静压力作用下超声振幅的改变引起的残余应力变化较大相对而言当静压力较低时超声振幅的改变几乎不引起残余应力变化 这表明静压力和振幅对 幅值的增效性 应用 力 学 学 报第 卷投稿网站:/.微信公众号:应用力学学报注:为转动速度 为进给速度图 不同静压力、振幅下 钢的残余应力幅值.将图 数据进行置换得到该材料在不同力值参数(静压力、振幅)下位移参数(转动速度、进给速度)对残余应力的影响如图 所示 在转动速度过低时进给速度改变引起的残余应力变化较大当转动速度过高时进给速度变化对残余应力的影响并不明显 这表明转动速度与进给速度对残余应力值的影响也具有一定的交互作用两者的耦合作用调控了单位时间的冲击密度同时也对单次冲击时各应力的分布产生了影响 最终影响体积变形的方向及均匀性 从而对残余应力的大小产生影响第 期陈辉涛等:超声滚压金属材料的疲劳性能研究进展 投稿网站:/.微信公众号:应用力学学报注:为振幅 为静压力图 不同转速、进给速度下 钢的残余应力幅值.疲劳过程中残余应力的释放.残余应力的释放规律众所周知 通过抵消疲劳试验中的有效外加应力来减轻材料遭受的损伤程度从而抑制裂纹的萌生和扩展 作为代价 诱导的 在循环变形过程中会逐渐耗散或释放 此外有研究表明在前期的若干次疲劳循环中 会发生较大的释放在随后的疲劳过程中 会逐渐趋于稳定而对提高材料疲劳强度有增益效果的 是经过一定释放后残留下来的 稳定值 影响残余应力释放过程的因素主要有材料及其微观结构、材料强度、强化状态、加载条件等图()为应力水平 下 处理 钢疲劳前后的表面残余应力 从图中可知疲劳试验后表面 明显降低超过 因局部塑性而松弛 图()为疲劳试验前的疲劳寿命与表面 曲线两者呈正相关关系 这意味着当 越大时疲劳抗力越高 且在不同疲劳加载模式下其寿命提升程度也有所差异 例如相对一次滚压(图中)而言三次滚压(图中)的常规疲劳()寿命明显比微动疲劳()寿命高 一方面由于最大有效应力的变化 试样的疲劳裂纹起裂部位离试样表面的垂直距离变大使疲劳寿命增加另一方面说明 样品的微观结构发生了明显的变化导致了这一结果图()()分别为 处理 旋转弯曲疲劳试验前后的残余应力分布和应力水平为 下 处理 表面残余应力演化 可以看出一次滚压(图中)和 次滚压(图中)材料表面 沿深度大小在疲劳后整体降低了(图)这直接说明 诱导的 对材料疲劳寿命的提升是以其幅值耗散为代价的 而且这种耗散不是一蹴而就的而是在每次循环的累积中逐渐叠加的结果(图)应用 力 学 学 报第 卷投稿网站:/.微信公众号:应用力学学报图 应力水平 下 处理 钢.残余应力的释放机制及释放模型超声滚压后合金表面晶粒因发生大塑性变形而得到细化 但是高温或载荷的作用会使细晶组织趋于不稳定晶粒尺寸会在这些过程中发生粗化细晶组织的一些增效特性也会因此弱化 等将超细晶的 合金在常温下进行疲劳加载发现其中少数晶粒发生再结晶现象并认为是塑性变形导致晶粒粗化 同时 等对纳米化的单晶 进行疲劳加载证明纳米晶粒的尺寸在几十万个拉拉疲劳周次后长大了约 晶粒的长大可能是由晶粒的旋转引起亚晶的团聚和晶界迁移导致的亚晶粗化相互作用的结果 此外分子动力学模拟和试验还认为形变孪晶的形核也是细晶组织长大的原因之一残余应力释放行为的模型研究工作主要分为两类:温度引起的残余应力释放和载荷引起的残余应力释放 与残余应力热稳定性问题不同残余应力的载荷稳定性问题更加复杂因为影响该过程的因素更多 对工程应用来说研究循环载荷引起的残余应力释放有更重要的实际意义 表 列举了部分残余应力的循环应力释放模型包括模型原理、主要公式以及适用条件等表 残余应力的循环应力释放模型.模型原理主要公式适用条件及优缺点参考文献平均应力松弛原理()应变控制的拉压疲劳 该模型的缺点是只适用于应力比 的循环载荷因为材料表面残余应力只有在 时才能用平均应力的概念来类比平均应力松弛原理()只适用于应力比 的循环载荷 形式简单线性对数松弛原理 只适用于第一个载荷循环后的残余应力释放线性指数松弛原理()/()只适用于第一个载荷循环后的残余应力释放线性指数松弛原理()()不仅考虑了初始加工硬化程度也考虑了拉压载荷过程中的包兴格效应线性指数松弛原理 ()()()不仅考虑了初始加工硬化程度也考虑了拉压载荷过程中的包兴格效应还考虑了应力比 的影响第 期陈辉涛等:超声滚压金属材料的疲劳性能研究进展 投稿网站:/.微信公众号:应用力学学报 表面形貌和表层组织.表面形貌一般而言材料经滚压头高频冲击后表面产生一定的塑性金属流动使微观形貌上的波峰被挤压变形填充波谷 从而有效降低材料的表面粗糙度 图 为不同滚压次数 的三维表面形貌和扫描电镜照片 图 显示原始试样表面有明显的机械抛光缺陷 经过一次 后 试样表面相对光滑致密具有镜面特征 试样表面仅出现少量微撞击坑表面粗糙度小于 试样 随着加工次数的增加这些凹坑的密度逐渐增大导致 和 试样的表面粗糙度略高于 试样 当加工次数进一步增加由于超声波的剧烈冲击和挤压一些表面材料被挤压到辊道两侧导致褶皱缺陷和微裂纹的出现 因此 样品的表面粗糙度 最高 值得注意的是所有滚压试样的 值在 之 间 明 显 低 于 原 始 试 样 的 值()这是冲击和挤压的耦合作用在处理表面引起塑性流动并使机械抛光缺陷光滑的结果在 过程中硬质压头始终压在试样表面以一定的进给速度向前滚动试样表面在静载轧制和高频超声振动的协同作用下发生塑性变形 从宏观上看 压头的挤压使试样表面的凸起或凹坑变得平滑从而达到平滑的效果 微观上塑性变形使位错移动和相交、晶粒细化使粗糙度显著降低 图 为不同转速滚压处理 的表面三维形貌和扫描电镜照片 在不同转速下试样的表面完整性略有差异 一般而言在相同的振动频率下主轴转速越慢硬化点越密集在同一位置发生多次硬化或产生硬化点重合有利于表面完整性的提高然而图()显示在较低的转速下一些深加工轨迹没有完全填充这可能与转速过慢造成压头在试样表面过度加工有关 此时样品的表面粗糙度仍然较高 约为.当转速增加到 /时试样内部的微结构单元在试样表面连续的复合载荷作用下不断发生塑性变形试样表面的切屑加工痕迹几乎完全去除 表面完整性相对较好粗糙度最小 如图 ()所示 当转速继续增加到/则样品表面会出现新的轧制加工痕迹甚至可能因加工速度过快而出现裂纹和剥落粗糙度也略有增加如图()所示 分析表明在高转速下 压头与试样的接触将由单一的滚动摩擦转变为滚动与滑动并存运行模式 滑动摩擦会增加摩擦系数容易划伤样品表面对表面质量产生负面影响注:代表基材()代表进行了 次 处理的样品图 不同滚压次数 的表面三维形貌和扫描电镜照片.通常来说 是一种有效降低表面粗糙度的技术 然而当 处理过度时材料表面粗糙度甚至会比基材更差如图 所示 由于严重的超声波冲击和挤压在处理表面上发现了表面缺陷包括表面剥层和褶皱缺陷(图)在 过程 应用 力 学 学 报第 卷投稿网站:/.微信公众号:应用力学学报中一部分表面材料沿着滚压方向被挤压到辊道了两侧相邻的表面之间相互重叠并紧密结合形成褶皱缺陷 因此由于表面缺陷的出现滚压试样的 值平均值比原始试样高.尽管如此但相对于其他表面改性技术(如激光冲击)而言 在降低表面粗糙度方面仍存在较大的优越性 图 为不同种类表面工艺处理增材制造 合金的三维形貌及表面粗糙度 图中显示激光冲击、以及激光冲击复合 分别使得材料 值降低了.、.和.因此本例表明:对材料表面粗糙度的改善程度约为激光冲击改善程度的 倍且作者将此归因于不同工艺对孔隙率的降低程度不同图 不同转速下 的表面三维形貌和扫描电镜照片.图 原始()和滚压处理()后 的表面三维形貌和表面扫描电镜照片.注:代表原始材料激光冲击 代表超声表面纳米化(类似超声滚压)图 不同种类工艺处理增材制造 合金表面的三维形貌及表面粗糙度.表层组织 使得材料作用位置表层发生相应的剧烈塑性变形 随着连续的联动载荷作用于不同位置的材料表面其表面内部的组织不断发生演变进而使晶粒细化其细化程度甚至可达到纳米量级作为诱导塑性变形的表面改性技术之一作用于位错密度较低的面心立方()结构材料时可通过在组织中引入缺陷来达到材料强化对的目的 图 为不同静压力和幅值处理 镍基合金的截面 图像 图中显示滚压表层组织由最外层的亚微米晶粒层、中间细第 期陈辉涛等:超声滚压金属材料的疲劳性能研究进展 投稿网站:/.微信公众号:应用力学学报晶层和内部的过渡影响层组成 图显示材料滚压后塑性应变从外到内梯度分布 单独将振动幅值增加到 时过渡影响层、细晶层和亚微米晶粒层也分别增加到、而单独将静压力增加到 时样品的总影响深度为 该厚度明显大于单独增加振动幅值的情形 因此静压力增加到 比振动幅值增加到 对该材料滚压效果的影响更大 此外 等在滚压 奥氏体不锈钢时对材料通上了交流电研究了交流电频率对材料组织的影响 其结果表明除了细晶强化和位错强化外形变诱导马氏体相变 到体心立方()结构同样为材料表面的硬化和强化做出了较大的贡献也是不容忽视的表面强化机制之一图 不同静压力和幅值处理 镍基合金的截面 图像.而当滚压受体材料为内部晶界系统复杂、位错密度本身就较高的 结构时细晶强化便不是材料强化的主导因素了 此时内部组织形貌将自发演变甚至长大来容纳塑性应变从使得应变能最小化进而将整体稳定化 图 为 组不同静压力下 钢试样的表面金相组织均主要为回火马氏体结构 从图()()可看到试样表面组织呈现了明显的从先细化到再长大的过程其中未加工试样微观组织较粗长呈“粗条状”在 和 下试样组织较细密当静压力超过 时可观察到针状马氏体开始变长在静压力 下试样晶粒与未加工试样的粒径相近但形状相对细长另一方面相对于传统的塑性变形技术(如喷丸)在位错增殖、细化第二相粒子和孪晶形核方面存在较大的优势 图 为 钢的在不同表面处理后的 显微结构材料原始组织为碳化物、贝氏体铁素体和残余奥氏体等典型多相组织 对比图()和()可知超声冲击波可将碳化物细进行有效细化该细小颗粒可通过钉扎位错等方式提升材料的疲劳强度 此外 等证实超声冲击波对碳化物的细化过程是通过塑性变形和高应变速率逐步累积的可以有效避免过大的瞬时荷载在碳化物分裂时二次裂纹的萌生和形核 并且在合适的超声载荷和频率作用下可以激活更多的位错细胞和位错缠结使得表面力学性能增强 应用 力 学 学 报第 卷投稿网站:/.微信公众号:应用力学学报图 不同滚压静压力下 钢试样金相组织.注:碳化物贝氏体铁素体残余奥氏体孪晶马氏体图 钢的 显微结构.第 期陈辉涛等:超声滚压金属材料的疲劳性能研究进展 投稿网站:/.微信公众号:应用力学学报 金属疲劳及强化机制通常来说 强化材料的疲劳性能提升程度主要由上述讨论过的 个因素(分布、表面粗糙度和表层组织)共同决定 此三者间是相互影响、对立统一的 表层组织的演变必然伴随有表面粗糙度和 的变化 然而对于不同的疲劳模式和加载形式三者的主导地位有所差异 例如高温环境中在循环变形前期 对疲劳裂纹的萌生和扩展有较大的抑制作用但当循环变形进入后期由于 的热释放效应其将失去主导作用.单轴拉压疲劳单轴拉压疲劳是最常见的疲劳破坏形式之一因此采用 对材料进行强化对于工程结构的寿命延长具有重要意义 到目前为止就不锈钢、铝合金、镁合金、钛合金、镍基单晶和多晶合金等金属材料而言 被认为是延长其疲劳寿命的有效手段之一 在 处理下 车轴钢的疲劳极限从 提升到了 (图)该作者将此种变化归因于 层(深度 )内的梯度分布的晶粒尺寸以及显著增大的显微硬度和平均局部取向差此外通过有限元计算的方式他们模拟了 层中沿深度方向的变形程度证明了幅值位于亚表层(深度 )的等效塑性应变梯度也是提高疲劳行为的原因之一 当然滚压参数也并不是越大越好图()显示了不同 参数对 疲劳寿命的影响 可以明显发现平均疲劳寿命分别在静压力 和进给量.处达到最小值在旋转滚压速度在 处达到最大值并随着振动幅值的增加而减小 这是因为较小的 参数不能使表面产生足够的塑性应变不能得到饱和的 值而过大的 参数会使表面裂纹形核(如图 中表面起鳞)增大应力集中因子 相反如若滚压参数超过一定范围时 甚至会降低材料的高周疲劳性能 彭翔引入反常疲劳极限尺寸效应理论有效论证了镍基高温合金 疲劳性能恶化的主要原因为过度的 造成晶粒尺寸的不均匀分布和高密度的高角度晶界大晶粒内部形变孪晶与基体间较高的弹性不相容应力导致孪晶界面附近应变局部化形成驻留滑移带进而促进微裂纹萌生图 处理.综上所述探寻最佳的处理参数就成为了众多研究者的重要课题之一.弯曲扭转疲劳航空发动机涡轮叶片和压气机叶片由于飞机在起飞、飞行和降落过程中产生的高频振动可能会提前发生弯扭和振动疲劳故障 因此可采用 来改善航空关键部件材料的弯扭振动疲劳性能 等初步研究了 处理 的弯曲疲劳性能发现在特定试验条件下试样的疲劳强度由 提高至 并将其归因于表层纳米结构和高幅 对疲劳前期裂纹萌生的抑制效应 应用 力 学 学 报第 卷投稿网站:/.微信公众号:应用力学学报随后在其另一项工作中通过疲劳试验优化了滚压次数对航空叶片弯曲性能的强化效果 将叶片的疲劳极限进一步提高到近 如图()所示 而表面微损伤造成的粗糙度增加和表面 幅值降低被认为是重复滚压疲劳强化效果相对降低的主要原因 同时具有密排六方结构的 晶粒具有相对较少的滑移系统因此其中一些 晶粒在经历 时会以产生形变孪晶的形式容纳过多的塑性应变 此时位错与孪晶界的相互作用有助于分割原始晶粒从而达到晶粒细化的目的抑制疲劳裂纹萌生和扩展 类似的机制也在预腐蚀 铝合金、热处理 样品和 不锈钢中观察到了图 各参数对试样疲劳强度的影响.等分析了不同滚压速度对扭转疲劳的影响结果如图()所示 可以发现在大多数情况下 叶片的疲劳寿命比原始叶片提高了 个数量级以上 然而其提升程度并不是与滚压速度成正比而是在 /处达到峰值 当滚压速度进一步增大时强化层厚度增加当位错密度达到极限值时晶粒结构在亚晶界处发生缠结和融合最终使晶粒尺寸增大因而使得循环过程中疲劳裂纹源的过渡内迁致使扩展速度加快从而使得相对寿命降低另有报道称在滚压之前对 高强钢进行扭转预变形可增加 对材料疲劳寿命的提升程度(图)这是因为扭转预变形过程使试样表面的马氏体组织向扭转方向偏转大大增加了位错密度提高了材料的剪切屈服强度 而随后的 过程会使试样表面微观组织沿滚压方向产生塑性流动表面塑性变形更为明显可以放大 工艺对表面的塑性效应.微动疲劳微动疲劳是两个接触体同时承受循环载荷和微幅切向相对运动而产生损伤的现象 微动作用不仅会加速承载构件表面质量的恶化而且还会促进疲劳裂纹的萌生和扩展导致材料的疲劳抗力比常规疲劳作用时降低 为了提高抗微动疲劳性能可采用 诱导接触表面下的 来提高材料的疲劳强度并改善试样的接触面质量抑制裂纹的萌生以期达到微动条件下的延寿目的图()为不同滚压次数 处理 钢微动疲劳和常规疲劳寿命的比较 从图中易知该材料的微动疲劳寿命远小于常规疲劳寿命这是因为垫块前缘在试样表面造成了较大的应力集中降低了裂纹开动所需的能量阈值 此外除了 和硬化层外 在 次滚压样品表面诱导了明显的鱼鳞状形貌可以通过吸收微动接触区的摩擦能减轻疲劳过程中的表面微动损伤 等研究了 合金 前后的微动疲劳裂纹扩展行为如图()所示 该研究表明微动裂纹主要起始磨损区和无磨损区的交点处然后倾向磨损区进行扩展 因此 引起的 场主要对疲劳早期扩展行为存在抑制作用而对裂纹萌生行为影响不大 根据最大滑移幅值准则和最大耗散能准则他们通过有限元方法成功地预测了微动裂纹萌生位置和扩展方向第 期陈辉涛等:超声滚压金属材料的疲劳性能研究进展 投稿网站:/.微信公众号:应用力学学报图 微动疲劳试验.在不同滚压次数的作用下 等强调无序状的梯度纳米/结构在延迟了微动疲劳裂纹的萌生和早期扩展方面存在较大优越性(图)而在重复滚压后由于无序状结构的破坏以及由此导致 的 释 放 微 动 疲 劳 寿 命 降 低 然 而钢的试验结果却表现出相反的趋势即疲劳寿命随滚压次数的增加而增加(图)这是因为二者残余应力相近但重复滚压导致试样表面鱼鳞状形貌明显起到了“间隔效应”减少了样品表面与垫块之间的实际接触面积减轻了表面损伤 能显著降低裂纹张开位移和临界应力值是影响材料微动疲劳行为的主要因素 然而表面形貌硬化层组织对疲劳性能的提升也存在较大影响.腐蚀疲劳腐蚀疲劳裂纹是工程应用中影响金属构件的常见问题 此时裂纹萌生是由循环应变和腐蚀环境的耦合作用引发的而裂纹扩展主要以沿晶和穿晶两种方式发生 在腐蚀疲劳过程中腐蚀作用造成材料损失和应力集中为疲劳裂纹的形核创造了良好的条件因此疲劳裂纹总是在腐蚀坑处开动导致疲劳寿命的缩短 一些研究表明 诱导的表面 场和晶粒细化可以通过降低腐蚀介质对试样表面的腐蚀速率提高材料腐蚀疲劳性能据报道 可使 合金的热腐蚀疲劳极限提高.在相同试验条件下 对 超强钢腐蚀疲劳寿命的提升程度为对其微动疲劳提升程度的 倍 这是因为 可以通过产生具有均匀电化学活性的样品表面来减少表面缺陷降低腐蚀坑的形成速率一旦循环荷载使得疲劳微裂纹在腐蚀坑处形核则在亚表面位置的高幅值 可以起到修复微裂纹、阻碍其进一步深入的作用 由于微动疲劳和腐蚀疲劳的失效机制不同微动疲劳比腐蚀疲劳更容易损伤 处理样品的表面释放表面残余应力 因此与微动疲劳寿命相比 处理对腐蚀疲劳寿命的改善更为明显 此外对 处理前后 铝合金的腐蚀疲劳试验表明 和晶粒梯度结构可同时通过提高 向材料内部的扩散阻力和材料疲劳强度系数及指数达到减缓腐 应用 力 学 学 报第 卷投稿网站:/.微信公众号:应用力学学报蚀坑的形成和抑制腐蚀疲劳裂纹萌生以及早期扩展的目的使得腐蚀疲劳强度提高 等对比了 处理前后 车轴钢的常规疲劳和雨水环境下的腐蚀疲劳裂纹扩展行为发现相对于常规疲劳 对材料腐蚀疲劳的提升程度大得多(图)腐蚀裂纹的扩展速率对应力水平较为敏感(图 )当常规疲劳加载时 超细晶粒保持不变位错结构略有湮灭(图)轴向 也出现了轻度下降 当腐蚀疲劳加载时试件表面形成的密集腐蚀裂纹 裂纹的扩展导致位错组织的强烈湮灭和轴向 的快速松弛 由于腐蚀侵蚀表面甚至存在局部的残余拉应力图 腐蚀疲劳试验.滚动接触疲劳滚动接触疲劳失效是一种涉及轴承、轧辊和轮箍等滚动接触零件的典型失效模式 滚动接触疲劳损伤受多种因素的影响包括润滑条件、表面粗糙度、材料力学性能等因素 等指出 工艺可通过抑制麻点剥落和裂纹扩展提高 轴承钢的滚动接触疲劳寿命 等补充道在 激光熔覆 合金的 层中针状 相和 纳米组织交错分布能够有效的调控滚动接触疲劳时裂纹的萌生和扩展方式 等证实表面光洁度的提高也会影响试样第 期陈辉涛等:超声滚压金属材料的疲劳性能研究进展 投稿网站:/.微信公众号:应用力学学报与磨球之间的润滑状况滚压后界面接触条件由边界接触变化为混合接触有效降低了应力集中和抑制了裂纹形核随着静压力或振动电流(控制超声振幅)的增大 钢的滚动接触疲劳寿命显著提升(图)一方面静压力和超声振幅对 的增效性使得 幅值大大提高(如.节所论述)另一方面较大的静压力可将应力集中点送入更深的位置增加其裂纹起始的难度而较高的振动幅值可防止裂纹向外扩散导致的表层剥落和材料损失 不同的是 等指出 钢中硬度相对较大的珠光体与共析渗碳体之间存在塑性变形不协调使得滚动接触疲劳裂纹主要在共析渗碳体内部传播 此时过大的静压力会导致两相界面发生应力集中为循环加载过程中二次裂纹的萌生提供初始条件使得其寿命明显降低(图)等研究了滚压过程中不同润滑剂黏度对 钢滚动接触疲劳寿命的影响(图)发现 处理改变了样品表面主要的滚动接触破坏模式 对于未经处理的样品主要的表面破坏模式是深度剥落破坏 处理后以浅深度分层破坏为主随着润滑油黏度的增加点蚀破坏程度和破坏深度逐渐增大 此外相对于喷丸()来说由于表面粗糙度差异 在提升滚动接触疲劳方面也存在一定优势在这种情况下喷丸试样的滚动接触疲劳裂纹以小角度扩展小角度更容易弱化塑性变形对材料的寿命的提升(图)综上所述就 对金属材料的滚动接触疲劳性能提升方面更多的研究需要着力于 参数优化和滚动接触疲劳断裂失效机理研究 最后表 总结了目前已有的一些 对金属材料疲劳性能的影响包括疲劳类型、材料种类、尺寸、加工参数、加载条件和性能变化等信息以期为 金属疲劳研究方面提供直观的参考图 滚动接触疲劳试验.应用 力 学 学 报第 卷投稿网站:/.微信公众号:应用力学学报表 处理金属材料的实验条件和疲劳结果总结.疲劳类型材料种类试样尺寸 参数加载条件性能变化参考文献单轴拉压疲劳 钢和 钢棒状 ./././次 .(钢).(钢)车轴钢棒状 /./././.钢棒状 /././次 .倍钛合金棒状 /./次/.倍.高强钢棒状 /.倍镍基合金棒状./././././次 .铝合金棒状././.倍 镍基单晶合金板件 ./次 .倍铝合金棒状 /次/.弯曲扭转疲劳钛合金棒状 /./次 .倍.铝合金板件./超过 钛合金棒状././././.倍.钛合金棒状 /./次/.倍钢齿轮/齿根半径 滚压深度./.裂纹扩展阈值.倍.钛合金棒状 /./次 .钢棒状 /././.倍第 期陈辉涛等:超声滚压金属材料的疲劳性能研究进展 投稿网站:/.微信公众号:应用力学学报续表 疲劳类型材料种类试样尺寸 参数加载条件性能变化参考文献微动疲劳钛合金棒状 /./轴向 法向 .钢棒状 /./次轴向 法向 .钢棒状 /./次轴向 法向 .钛合金棒状 /./次轴向 法向 .倍.钛合金棒状 /./次轴向 法向 .钛合金棒状 /./次轴向 法向 .超高强钢棒状 /./轴向 法向 .腐蚀疲劳钛合金棒状 ./././.超高强钢棒状 /./.铝合金棒状 /./次.腐蚀速率 .车轴钢沙漏状././次 人工雨水 .滚动接触疲劳钢盘状 /./次 /赫兹接触应力.钢盘状 /./次/.钢盘状 ./次 /.激光熔覆棒状 ./次 /.钢环 状/./././次 /.车轮钢轮轨状/././././.钢盘状 /.钢盘状 /.应用 力 学 学 报第 卷投稿网站:/.微信公众号:应用力学学报 复合强化近年来在传统 的基础上报道了大量的 的辅助手段以及 与其他塑性变形工艺相结合的复合强化策略 目前这些手段主要包括电脉冲辅助、热辅助、与表面渗碳/喷丸、铣削相结合的复合工艺等 相比于传统 这些工艺优化在表面组织改性、表面硬化和疲劳寿命提升方面存在一定的优势 例如电脉冲在金属材料塑性加工中的应用:由于电脉冲加速相变、位错迁移率和原子扩散加剧材料的加工硬化和缺陷数量显著减少可以降低变形抗力并显著提高零件的表面质量 而喷丸与 相结合则可实现二者的优势互补(在降低表面粗糙度的同时提供高幅值 梯度)因此本节主要总结了以上提及与 联用的工艺以及其对材料变形机制和机械性能的影响表 总结了与 相关的复合强化优缺点以及性能变化以期为 复合强化研究方面提供较为直观的参考表 复合强化的目的、优点以及性能变化总结.强化名称复合强化目的优点性能变化参考文献电脉冲辅助 诱导的加工硬化会成为金属内部进一步塑性变形和强化的阻碍因素 由于现存的高硬度表面强化层在后续的强化过程中没有大幅度的改善反而可能恶化原有的强化效果 为了进一步提高表面强化程度采用电脉冲辅助 对材料进行处理在金属材料的表面塑性加工中使用电脉冲可以降低变形阻力并显著提高组件的表面质量电脉冲可加速材料中的相变过程、位错迁移率和原子扩散降低加工硬化程度减少缺陷量相对于传统 .热辅助随着载荷、温度和时间的推移 层的强化效应会逐渐消失 因此为了提高强化层在服役过程中的稳定性采用热辅助 对材料进行处理热辅助表面形变强化可以通过动态应变时效作用和动态沉淀作用显著提高 的稳定性相对于传统 .复合渗碳为了隔离材料与腐蚀介质提高材料的抗腐蚀性能在材料表面添加了富碳涂层 为了提高材料的力学性能并且增加涂层与材料基体的结合强度使用 对渗碳材料进行处理同时显著提高