抗疲劳制造原理与技术概论

抗疲劳制造原理与技术概论

一、抗疲劳制造定义

1964年国际标准化组织（ISO）在《金属疲劳试验的一般原理》中给疲劳下了一个描述性定义:金属材料在应力或应变的反复作用下所发生的性能变化叫疲劳。所谓的抗疲劳制造技术是指在不改变零件材料和截面尺寸的前提下，通过在制造工艺过程中改变材料的组织及应力分布状态来提高零部件疲劳寿命的制造技术。这种技术的一个突出的特点是不改变零件的结构和材料，不增加材料重量，但能大幅度提高材料的疲劳寿命。

二、抗疲劳制造设计与制造的重要性

在现代工业各个领域中，大约有50-90%以上的结构强度破坏都是由于疲劳破坏造成的，如轴、曲轴、连杆、齿轮、弹簧、螺栓、压力容器、海洋平台、汽轮机叶片和焊接结构等，很多机械零部件的结构件的主要破坏方式都是疲劳，而且遍布在工业、交通、军事等要害部门，给航空、造船、交通运输、动力机械、化工机械、工程机械等工业造成严重威胁[1-2]。因此，认识疲劳，了解疲劳破坏的机理，探求抗疲劳制造的方法并去指导现代工业技术的发展，已经成为现代工业生产中的重要课题。

三、抗疲劳制造技术的原理

疲劳是一个非常复杂的过程，疲劳寿命受许多因素的影响，其中包括零件表面残余应力、表面显微组织、缺口效应、尺寸效应、表面效应、材料静强度以及腐蚀环境等多种因素。一些对材料或构件的静态特性影响很小的因素，如构件和结构的表面状态、缺口形式等，在疲劳现象中却起到非常显著的作用。

因此，提高金属材料抗疲劳性能应主要从以下四方面来进行: (l)合理选材，注意零件的细节设计，提高加工精度和降低表面粗糙度，尽量减少形成应力集中的各种因素。

(2)在金属材料表层，特别是局部应力集中的薄弱部位引人高的残余压应力。 (3)细化材料的表层显微组织，细化亚晶粒，减少材料内部的非金属夹杂物，提高冶炼精度。

(4)在保证芯部具有足够强度的前提下，提高材料表层的硬度和强度，抑制在循环应力作用下表层产生局部塑性形变。

四、疲劳设计方法

1、无限寿命设计法。无限寿命设计法是谢联先生在40年代提出的，是最早

使用的抗疲劳设计方法。使用无限寿命设计法时，常先用静强度设计确定零件尺寸，再用这种方法进行疲劳强度校核。

2、名义应力有限寿命设计法。有限寿命设计法要求构件或结构在一定的使用期限内不能产生任何疲劳缺陷，又称安全寿命设计法。

3、局部应力应变分析法。在实际使用过程中，决定零件疲劳强度和寿命的是应变集中处的最大局部应力和应变。也就是说，决定疲劳强度和寿命的是应变集中处的最大局部应变。

4、损伤容限设计法。损伤容限设计法是以无损检测技术和断裂韧性与疲劳裂纹扩展速率的测定技术为手段，以有初始缺陷或裂纹零件的剩余寿命估算为中心，以断裂控制为保证，确保零件在使用期内能够安全使用的一种疲劳设计方法。

5、疲劳可靠性设计。这种设计方法是概率统计法和疲劳设计法相结合的产物，它考虑了载荷、材料疲劳性能和其它疲劳设计数据的分散性，可以把破坏概率限制在一定的范围内。

五、抗疲劳制造技术分类

在目前的生产实践中，有关抗疲劳制造的方法多种多样，从物理、化学、机械和高能束处理四个方面对其进行分析，如图l所示。

2.1物理方法

物理方法通过提高材料表层的硬度和强度来提高材料抗疲劳性能的。其特点是不改变表层化学成分，通过表层相变来提高零件的疲劳强度。常用的工艺有火焰淬火、高频和中频感应加热淬火以及近年来发展的超声波、双频感应加热淬火等。表面淬火淬硬层中的马氏体组织很细，硬度和强度比一般的整体淬火高，因而具有较好的抗粘着磨损与疲劳磨损的能力。马氏体的比容大，使淬硬层中存在较大的残余压应力。这种具有残余压应力的高硬度表面层能使工件的疲劳强度明显地提高[4]。

2化学方法

化学方法是利用化学热处理技术通过改变表面化学成分，并形成单相或多相的扩散层，大大提高材料表层的硬度，同时还可以建立很高的残余压应力，从而提高了材料的疲劳性能。主要包括渗碳、渗氮、碳氮共渗、磷化和阳极氧化等工艺，近年来离子渗碳、真空扩渗、渗硼和多元共渗等新方法也得到了较大的发展，并且在微动摩擦学领域中进行了较多应用[5]。国外有人研究了渗氮层的微动性能，发现其表面损伤程度随表面机械强度的提高而降低，特别是残余压应力和较

高的屈服强度降低了表面承受的有效载荷，使裂纹形核时间延长，扩展速率降低，因而磨损减小，微动疲劳性能大大提高。

3、机械方法

机械方法的突出特点是利用冷变形技术，使金属材料表面产生形变硬化层，并引入高的残余压应力，因而减少了疲劳应力作用下裂纹的形核并抑制裂纹的早期扩展，从而显著提高机械零件的抗疲劳断裂和抗应力腐蚀开裂的能力。主要工艺方法包括滚压、挤压、喷丸、干涉配合和抛光处理等，是抗疲劳制造的一种主要方法。其中喷丸强化工艺不仅可以在极为宽广的幅度上改变金属材料的疲劳强度和抗应力腐蚀性能，而且其适应性也极为广泛，在航空工业中，孔冷挤压强化工艺包括芯棒挤压和开缝衬套挤压技术，已广泛地应用于航空工业发达国家的军机和民机，而包括冷挤压在内的干涉孔配合工艺更是大大促进了这种工艺的成功应用，其抗疲劳效果更为显著[6]。

2.4高能束处理

高能束处理的作用在物理、化学、机械等方面都能得到体现。单独将其作为一类是因为高能束能量密度极高的特性，使得经高能束处理方法得到材料抗疲劳性能比传统方法有显著地提高，其发展应用前景极为广阔。高能束处理技术是在材料局部表面施以极高密度的能量，并使之发生物理、化学变化，达到显著抗疲劳增寿的目的。目前正在研究和应用于抗疲劳制造的有激光冲击、激光相变硬化、激光熔凝、激光合金化以及离子注人等，这些是极有发展前途的抗疲劳制造方法。激光相变硬化工艺不改变物质的状态，强化后材料表面仍很光滑，变形一也很小，同时处理后的表层内应力为压应力，对材料的疲劳性能有很大的提高，有较大的技术经济效果。实验人员对AlsII045钢旋转弯曲光滑试样进行的激光相变硬化抗疲劳试验表明:用475w激光束以2.07mm/s速度扫描可获得100um厚的硬化层，疲劳寿命提高约30%，在5I2MPa应力水平下，疲劳寿命提高15倍。激光冲击能有效提高地强化碳钢、合金钢、不锈钢、可锻铸铁、球墨铸铁、铝合金、以及镍基高温合金，在提高金属材料疲劳寿命方面，激光冲击已能取代喷丸处理。离子注人通过在材料中引人固溶强化、析出强化和压应力来提高材料的抗疲劳寿命。 在精密零件的杭疲劳措施中，离子注入有着重要的作用了、因为离子汀一人一般在较低的温度下在真空中进行，离子认几人后测不出零件尺、日勺变化能保持原有的尺寸精度和表l(lJ粗糙度，工然离J气洲人尺寸较小.通常离子注人层厚度不大于1ulll，使得离r注人技术的应川受到一定限制。但是在一些实验中.当

注人层磨很深度达到”几人深度、O不时，由于接触而温升使氮沿位错和品界打散，们一人层中仍然有10-es20%的注入元素存在11川，表明在这个深度l_，

离]’i1几入技术仍然可以产生作用。因此在抗微动疲劳制造技术中，离J气注人技术有一定的应用前景在实际应用中，可以将luJ种以l一的抗疲劳制造方法翅介使川的，这能充分发挥各自的优势和特点，比如带衬公挤坏和}几涉配合相结合等，往往能取得比使用单一方法更好的杭疲劳效果.3抗疲劳制造技术发展趋势

抗疲劳制造技术的研究越来越受到人们的亚视，并已经取得了明显的进展。但是随着现代科学技术的飞速发展，现代!-业设备要求在高温、高速、高压等复杂条件I汀吏用的J勇合越米越多，承受的交变应力越来越高，疲劳破坏问题日益突出在这种情况下，我们必须结合实际击要进行深人系统的抗疲劳制造技术研究。

(l)开展断裂力学、弹塑性断裂力学以及损伤容限设门的应用研究。 (2)加强对疲劳损伤机理的研究，利用现代分析于段，深人研究疲劳损伤的机理、根据机械零部件的材质一五作环境、._作状态等状况，有针对性地采用抗疲劳制造技术，提高经济效益，

(3)开展复杂工作条件卜的疲劳寿命研究，如腐蚀疲劳、接触疲劳、微动疲劳、随机疲劳、高低温疲劳、热疲劳、丝合应)J疲劳在变幅载荷、微动、真空、腐蚀环境、，岛低温及多轴应]]状态等特殊工况下的疲劳问题，金属在核辐射毋响卜的，;百温疲毛玲以及材料的疲劳强度的研究、热电站设备和燃’、轮机叶片的疲劳加蠕变的复合问题的研究。这些问题的研究对航空航大、核(_业部门等国民经济重要产业的发展共有垂大意义

(4)开展疲劳损伤的计算机模拟与计算，

(5)开展对高分子材料、复合材料、先进陶瓷的微动损伤规律的研究。

1 [美]福克斯.工程中的金属疲劳.北京:中国农业机械出版社,1983.2 [英]N.E.弗罗斯特.金属疲劳.北京:冶金工业出版社,1984.3 王珉.抗疲劳制造原理与技术.南京:江苏科学技术出版衬，1999.4 材料耐磨抗蚀及其表而技术丛书编委会主编.材料耐磨抗蚀及其表面技术概论.北京:机械工业出版社.1986.5 徐桂珍，刘家浚，周宗荣.表面改性技术在微动摩擦学领域中的应用.摩擦学学报，1998，18(2):285-190.6 谢方琳.孔冷挤压强化在飞机装配中的应用.航空工艺技术.1992.l:33-36

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