凯发国际首页 加工工藝對疲勞壽命的影響

有益的加工工藝包括表面硬化，即向零件表面導入一個壓應力。珩磨、拋光、滾壓都旨在消除由于機加工過程而引起的表面缺陷和抵消有害的拉應力，從而改善零件的表面屬性。表面滾壓同樣可以導入壓應力，但往往受限于圓柱形的幾何形狀。而拋丸／噴丸強化無形狀限制，且較經濟有效，強化效果相當 顯著。本文由 吊鉤式拋丸機 整理
加工過程會明顯影響金屬零件的疲勞屬性，這種影響可以是有害的，也可以是有益的。有破壞性的工藝包括焊接、研磨、過度磨削和金屬加工等，這些會讓零件表面形成殘余拉應力。殘余拉應力和承受的載荷應力會一同加速零件的早期疲勞失效。

一、試驗
以下試驗說明了殘余應力對疲勞壽命的影響。
1．試驗一
一個飛機機翼制造商，對其中一個蒙皮緊固件進行試驗，該零件在工作到其預期壽命60％的時候，產生了微裂紋。對該裂紋發生部位進行拋丸／噴丸強化，結果發現，該緊固件的抗疲勞壽命延長了300％，即使在減少了橫截面厚度的情況下，都沒有再發生裂紋延展或進一步擴大。
2．試驗二
焊接后會產生殘余拉應力，因為焊接是在焊接材料處于熔化狀態進行的，那時材料處于較熱、較膨脹外擴的狀態。然而此時再將其與表面溫度低很多的基體材料相接合，就會導致焊料迅速降溫，并試圖在降溫過程中收縮。由于焊料已經與比它溫度低且更強大的基體材料接合，所以無法實現快速收縮，其結果是焊料被基體材料“拉伸”開。受熱區域是殘余拉應力集中的部位，也是失效經常發生的部位。焊接充填材料、化學成分、幾何形狀和致密性等的不一致性，會加劇殘余拉應力的提高，從而加速疲勞失效的發生。如圖1所示，拋丸／噴丸強化能有效地抵消掉焊接在受熱區域引起的、會導致失效的殘余拉應力，使材料表面由原來的拉應力狀態轉變為壓應力狀態。

圖1

圖1還顯示了由焊接、熱應力釋放和拋丸／噴丸強化所引起的一系列殘余應力的變化。焊接造成的拉應力加之零件服役后所承受的載荷應力，會共同急劇加速焊接部位的早期失效。
如果對焊接部位在620~C(1150F)下進行持續1h熱應力釋放，表面的殘余拉應力就會降至零，從而改善該區域的疲勞屬性。
如果用拋丸／噴丸強化來代替熱應力釋放，也會同樣甚至更好地將材料表面的殘余拉應力狀態轉變成殘余壓應力狀態，這會顯著且有效地阻止疲勞裂紋的形成和延伸。
較佳的工序是，焊接后先進行應力釋放再進行噴丸強化。應力釋放可軟化焊接材料，從而能較大可能性地產生一個更深的壓應力層。
美國焊接學會(AMS)手冊提示，如果鋼結構出現以下所描述的承受疲勞載荷，就需要考慮焊接引起的殘余拉應力，“結構件里的局部應力可能是完全由外部載荷引起，也可能由外部載荷和殘余應力聯合影響而導致的。
殘余應力是非循環性的，但它會或增加或抵消外部交變應力。因此，在預計會遭遇交變應力的焊接部位導人一個殘余壓應力是有益的。”
利用拋丸／噴丸強化來改善焊接零件的抗疲勞屬性和延緩、阻滯應力腐蝕裂紋形成，已被以下機構確認證實：
(1)美國機械工程師學會。
(2)美國船舶局。
(3)美國石油協會。
(4)美國國際腐蝕工程師協會。
二、應用實例
1．海洋鋼結構的疲勞性
挪威的一份調查研究發現，結合焊腳打磨和拋丸／噴丸強化能較大程度上改善鋼結構的使用壽命，使其延長至少一倍以上。另一份研究報告顯示(見表1)，拋丸／噴丸強化能讓焊接部位的疲勞強度與基體的屈服強度成比例地增強。

表1

2．渦輪發動機HP壓縮機轉子兩家知名的噴氣式渦輪發動機生產廠家聯合研制開發了高壓壓縮機轉子。其零部組件均有鈦合金材料(Ti4A16V)，鍛造后焊接在一起。測試結果如表2所示。

表2
注：在機發動機術語中，一個循環代表一次起飛加一次降落。
較初時，噴丸強化僅用作額外“保險”，以防止失效。經過多年安全、無失效故障使用以后，加之噴丸強化技術的不斷進步和更精準的控制，該工藝已被作為發動機升級的必要且完整的制造工序。
三、幾種典型凯发国际首页 加工工藝對疲勞壽命的影響
1．磨削
一般情況下，磨削過程中由于局部受熱，會引起拉應力形成。金屬與磨料介質接觸，會局部產生熱，從而趨于擴展。受熱的材料弱于周圍金屬，在冷卻時，壓力屈服的金屬趨于收縮，而周圍金屬阻止了這一收縮，從而引起殘余拉應力。任何程度的殘余拉應力都會負面影響疲勞壽命，促發應力腐蝕裂開。
圖2描述了不同磨削工藝產生的殘余拉應力。一塊1020(美國牌號)、硬度150～180HBW的碳化鋼(焊接過和未焊接過)，進行過度磨削和常規磨削，結果顯示，過度磨削加工會導致高表面拉應力，以及更深的拉應力層；而常規磨削后的拋丸／噴丸強化，能將原先的殘余拉應力狀態扭轉成殘余壓應力狀態。

2．電鍍
很多零件在鍍鉻和化學鍍鎳前先經過拋丸／噴丸強化，以抵御電鍍對于疲勞壽命的有害影響。疲勞點蝕常發生于脆性表面、氫脆性或殘余拉應力引起的微裂紋。
圖3是一張涂層斷面SEM照片(1200倍)，可以看到由鍍硬鉻產生的細小裂紋。在疲勞載荷下，這些微裂紋在基體材料里會向四周延展，較后導致疲勞失效

圖3

如果基體材料預先經過拋丸／噴丸強化，電鍍產生的疲勞裂紋沿基體材料衍伸的可能性就大大降低。圖4說明了這一概念，并假設給零件一個動態交變應力作用。圖4a顯示了微裂紋在基體材料內延展開；圖4b顯示的是當經過拋丸／噴丸強化后，導入的壓應力層阻止了微裂紋向周圍的衍伸、擴展。

圖4

對于需承受交變應力的零件，建議在電鍍前先進行拋丸／噴丸強化，以改善零件的疲勞屬性。對于在動態載荷下，要求無限壽命的零件，聯邦規格QQ—C*320和IL—c*26074明確規定(美國標準)，鋼制零件在鍍鉻和化學鍍鎳前必須先經過拋丸／噴丸強化。
3．陽極氧化
硬質陽極氧化是拋丸／噴丸強化以改善涂層材料抗疲勞性能的另一種應用。其功能優勢與電鍍相類似，都是基體材料在陽極處理前進行拋丸／噴丸強化。本文由 吊鉤式拋丸機 整理
4．等離子噴涂
等離子噴涂主要用于要求高耐磨性的情況下。在等離子噴涂前對基體材料進行預拋丸／噴丸強化，被證實是一種能有效提高抗疲勞強度的方法。等離子噴涂工藝后進行拋丸／噴丸強化，能有效地改善表面光整度和致密

圖4

對于需承受交變應力的零件，建議在電鍍前先進行拋丸／噴丸強化，以改善零件的疲勞屬性。對于在動態載荷下，要求無限壽命的零件，聯邦規格QQ—C*320和IL—c*26074明確規定(美國標準)，鋼制零件在鍍鉻和化學鍍鎳前必須先經過拋丸／噴丸強化。
3．陽極氧化
硬質陽極氧化是拋丸／噴丸強化以改善涂層材料抗疲勞性能的另一種應用。其功能優勢與電鍍相類似，都是基體材料在陽極處理前進行拋丸／噴丸強化。本文由 吊鉤式拋丸機 整理
4．等離子噴涂
等離子噴涂主要用于要求高耐磨性的情況下。在等離子噴涂前對基體材料進行預拋丸／噴丸強化，被證實是一種能有效提高抗疲勞強度的方法。等離子噴涂工藝后進行拋丸／噴丸強化，能有效地改善表面光整度和致密 。