凯发官网地址 噴丸強化對車軸鋼靜態拉伸及疲勞壽命的影響

摘 要 通過對噴丸工藝處理后的 40# 車軸鋼靜態拉伸和疲勞壽命的測定 ,對試驗結果進行了分析 ,找出了因噴丸產生的壓應力距表面深度的變化曲線 ,通過成組的對比性試驗后發現噴丸強化作用在初期效果顯著 ,當裂紋穿過了噴丸強化層后 ,其強化作用就逐漸減弱直至消失。
關鍵詞 噴丸 疲勞壽命 強化。本文 由 吊鉤式拋丸機 廠家整理
0 引 言
殘余應力對疲勞壽命是一個重要的影響因素。 因各疲勞零件所處的實際環境及條件不同 ,要確切地研究出殘余應力對疲勞的影響是極為困難的 ,因此 ,目前進行疲勞計算時或是不考慮殘余應力 ,或是將其作為一個常量加到疲勞計算中去 ,這顯然是一種近似的方法。
一般認為 ,承受疲勞荷載的零件 ,若存在壓應力 ,會提高其疲勞性能 ;若存在拉應力或表面有缺陷則會降低其疲勞性能 [1 ]。經表面形變強化可有效地提高材料的疲勞性能 ,噴丸即是一種表面強化工藝 ,因此 ,對經過噴丸工藝強化處理后的材料進行研究有著重要意義。本文通過對噴丸工藝處理后的 40# 車軸鋼靜態拉伸和疲勞壽命測定 ,研究噴丸強度與之對應關系

1 試驗材料的化學成份和力學指標
C= 0. 37% ; Cr <0. 30% ; Ni <0. 30% ; Cu <0. 25%
S <0. 05% ; Mn= 0. 65% ; Si= 0. 20% ; P<0. 045%
σs= 382 M Pa;σb= 670 M Pa;δ= 23% ;ψ= 47%
2 試 驗
彈丸種類、施噴氣壓大小 ,時間長短等因素都將影響到最終的噴丸強化效果。 筆者在查閱了大量資料、分析了一些相關的試驗結果后 ,選擇了三種具有代表性的噴丸強度對試件施噴 ,同時為了進行比較也選取了一組未經噴丸處理的基體材料進行試驗。
第一組: 直徑為 0. 15～ 0. 25 mm的玻璃彈丸 ,氣壓強度為 0. 2 M Pa,噴丸強度 f =0.1A。
第二組: 直徑為 0. 6 m m的鑄鋼彈丸 ,氣壓強度為 0. 25 M Pa,噴丸強度 f = 0. 3A。
第三組: 直徑為 0. 6 m m的鑄鋼彈丸 ,氣壓強度為 0. 4 M Pa ,噴丸強度 f = 0. 5A。
拉伸試驗能清楚地反映出材料的彈性、塑性和斷裂三個過程 ,所獲得的各種數值對工程設計、材料研究都是主要依據。 本次試驗在 SC HENCK機上進行 ,試件尺寸如圖 1所示 ,試驗結果見表 1。

圖 1 拉伸試件

表 1 拉伸試驗結果

疲勞壽命測定采取旋轉彎曲法 ,完全對稱循環 ,即 R= - 1,試驗頻率為 2 800 r /min,試件制做和試驗曲線的測定方法按國家標準 ,試驗在國產 HY型旋轉彎曲疲勞試驗機上進行 ,試驗結果見表 2, S-N 曲線見圖 2。

圖 2 S-N曲線

表 2 疲勞極限制定值

3 結果分析
從施噴和未施噴試件的拉伸應力— 應變曲線上看其形狀基本一致 ,這說明噴丸工藝并沒有使材料發生質的改變。 從各試件斷口形貌上看基本都是在斷口中央部位呈粗糙形態的纖維區 ,纖維區的宏觀平面 ,即裂紋擴展的宏觀平面與拉伸應力軸線相垂直 ,和纖維區毗鄰的是包圍著纖維區的與拉應力軸線成 45度交角的剪切唇 ,試件斷開后一側呈杯子形狀 ,另一側呈錐狀 ,這說明裂紋首先是在纖維區內成核 [2 ] ,即試件的最終破壞并不始于表面。 噴丸工藝對金屬材料的拉伸影響不大。
但進一步觀察分析 ,還是能看到一些變化的。試件杯形斷口側的剪切唇在整個斷面上所占比例較大 ,如圖 3所示。 這說明當裂紋從中心纖維向外擴展時 ,外部的塑性變形區域較大 ,筆者認為這與噴丸使試件在表面產生的塑性層有關 ,噴丸強度越大 ,塑性層的影響越顯著 [3 ]。 從試驗結果看 ,隨噴丸強度的提高 ,伸長率有所提高 ,屈服強度有所下降 ,而極限強度略有提高 ,對這一現象筆者認為是因拉應力首先要有一部分去抵消因噴丸產生的壓應力所致。 經測試后發現 ,噴丸處理后的試件表面壓應力最大值達 890 M Pa。

圖 3 拉伸試件斷口

圖 4 噴丸壓應力沿深度分布

經噴丸處理后材料的疲勞極限相對基體來說都有不同程度的提高 ,但值得注意的是三種噴丸強度的疲勞強度極限值較為接近。從圖 2中還可以看出 ,當循環次數在一百萬次以前時 ,隨噴丸強度的增大曲線斜率也有所增大。 由此可知噴丸強化作用在初期要大些 ,當裂紋穿過噴丸強化層后 ,其強化效果就逐漸減弱直至消失。 筆者認為 ,這是由于噴丸是一種表面強化工藝 ,它是通過在基體表面產生殘余壓應力來達到強化作用的。而這種殘余壓應力的數值隨距表面深度距離的增加是減小的 ,其關系曲線見圖 4,因此才有上述的試驗結果。
4 結 語
通過試驗發現 ,噴丸這種對金屬材料的表面強化工藝對材料的靜態拉伸影響不大。當疲勞循環次數在某一范圍內時 ,材料的疲勞強度極限值會隨噴丸強度的提高而有所提高。即在材料產生裂紋前這種強化作用顯著。 筆者認為這主要與因噴丸在表面產生的殘余壓應力數值隨距表面深度的增加而減小有關。因此 ,對金屬疲勞零件合理地選擇噴丸強度是可以提高其疲勞壽命的。本文由 吊鉤式拋丸機 廠家整理

參考文獻
1 徐悅 . 噴丸強化對中碳鋼疲勞性能的影響: [碩士學位論文 ]. 北京: 北方交通大學工程力學所 , 1996
2 上海交通大學金屬斷口分析編寫組 . 金屬斷口分析 . 北京: 國防工業出版社 , 1979. 151～ 214
3 徐悅 . 經噴丸處理后 40# 車軸鋼裂紋的萌生及沿表面擴展規律 . 河北理工學院學報 , 1997, 19( 2): 13～ 18