考慮高強(qiáng)度鋼加工表面完整性的背應(yīng)力能法疲勞壽命 預(yù)測(cè)模型

王永, 王西彬, 王志斌, 劉志兵, 劉書堯, 陳洪濤, 王湃

(1. 太原理工大學(xué) 機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院，山西 太原 030024; 2. 北京理工大學(xué) 機(jī)械與車輛學(xué)院，北京 100081; 3. 山西柴油機(jī)工業(yè)有限責(zé)任公司，山西 大同 037036)

0 引言

零部件在工程應(yīng)用中一旦發(fā)生疲勞失效，將危機(jī)安全并引起嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。目前，對(duì)疲勞壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)的方法主要包含應(yīng)力法、臨界面法和能量法等[1]。其中能量法從疲勞損傷機(jī)理的角度來對(duì)疲勞壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)，能夠很好地解釋疲勞斷裂行為[2]，故得到廣泛應(yīng)用。機(jī)加工作為最終的制造工藝，為提高疲勞壽命，往往通過一味地減小加工表面應(yīng)力集中系數(shù)、增大殘余壓應(yīng)力等方式對(duì)加工表面層進(jìn)行評(píng)價(jià)[3]，然而增加了零件制造工藝難度且降低了生產(chǎn)效率，因此急需定量描述加工表面完整性與疲勞行為之間的映射關(guān)系[4]，進(jìn)而從抗疲勞制造的角度對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行擇優(yōu)。

能量法預(yù)測(cè)中低周疲勞壽命往往采用忽略加工表面特征或增加其他工藝來減小表面層影響的方式。通過疲勞試驗(yàn)來獲得金屬材料的疲勞強(qiáng)度要花費(fèi)大量的時(shí)間和金錢，因此更多學(xué)者花費(fèi)了大量的精力試圖建立疲勞強(qiáng)度和基本力學(xué)性能之間的關(guān)系，例如，Wang 等[5]建立了拉伸性能確定疲勞強(qiáng)度的方法，龐建超[6]認(rèn)為低強(qiáng)度范圍的疲勞強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度呈線性關(guān)系。然后這些都是在保持相同加工硬化能力的前提下忽略了加工表面層特征。 Wu 等[7]和Wang 等[8]研究表明雖然加工表面層特征的改變對(duì)拉伸強(qiáng)度影響很小，然而對(duì)疲勞強(qiáng)度有很大的影響。Nalla 等[9]指出表面層的殘余壓應(yīng)力顯著降低了鈦合金的循環(huán)軟化速率，從而影響了低周疲勞循環(huán)行為影響。徐海豐[10]考慮到表面粗糙度以及機(jī)械加工在表面產(chǎn)生的殘余應(yīng)力影響鈦合金的循環(huán)硬化/軟化行為，采用軸向打磨和拋光處理的方式對(duì)試樣進(jìn)行處理，然而忽略了機(jī)械拋光產(chǎn)生的加工硬化也會(huì)影響到材料的循環(huán)行為。采用能量法研究材料整體力學(xué)性能，忽略機(jī)加工表面層特征似乎成為了一種很無(wú)奈的選擇，且少有文獻(xiàn)考慮加工表面完整的能量法疲勞壽命預(yù)測(cè)模型。因此，建立合適的考慮表面完整性的能量法預(yù)測(cè)模型，不僅能提高壽命預(yù)測(cè)精度，而且對(duì)面向服役性能的表面完整性參數(shù)評(píng)價(jià)具有重要意義。

本文通過引入加工表面完整性影響因子，定量描述表面幾何-力學(xué)-組織特征參數(shù)對(duì)疲勞壽命的影響程度，并將該影響因子與能量法相結(jié)合，提出一種新的考慮加工表面完整性的疲勞壽命預(yù)測(cè)模 型[11]。 最后以重載車輛扭力軸高強(qiáng)度鋼45CrNiMoVA 材料實(shí)際服役環(huán)境為背景，設(shè)計(jì)與實(shí)際扭力軸相同應(yīng)力集中系數(shù)的扭轉(zhuǎn)疲勞試樣，通過對(duì)表面完整性參數(shù)測(cè)量和疲勞性能試驗(yàn)，揭示了正火態(tài)和淬火態(tài)45CrNiMoVA 高強(qiáng)度鋼的機(jī)加工工藝對(duì)扭力軸材料疲勞循環(huán)行為的影響，驗(yàn)證了提出模型的有效性。

1 背應(yīng)力能預(yù)測(cè)疲勞壽命分析

在不同應(yīng)變幅控制下，將每個(gè)應(yīng)變幅下最大穩(wěn)態(tài)環(huán)的頂點(diǎn)連線定義為循環(huán)切應(yīng)力-應(yīng)變曲線，如圖1 虛線所示。圖1 中：Oγτ為以循環(huán)遲滯回線底點(diǎn)為原點(diǎn)的坐標(biāo)系，O′γ′τ′為以循環(huán)切應(yīng)力-應(yīng)變曲線底點(diǎn)為原點(diǎn)的坐標(biāo)系，循環(huán)切應(yīng)力-應(yīng)變曲線標(biāo)度放大一倍，可得到循環(huán)遲滯回線上半枝，同理循環(huán)切應(yīng)力-應(yīng)變曲線原點(diǎn)對(duì)稱標(biāo)度放大一倍，可得到循環(huán)遲滯回線下半枝；A、B、C、D、E分別為循環(huán)遲滯回線頂點(diǎn)在Oγτ坐標(biāo)系的τ軸坐標(biāo)點(diǎn)、頂點(diǎn)、γ軸坐標(biāo)點(diǎn)、循環(huán)遲滯回線上半枝與O′γ′τ′坐標(biāo)系τ′軸交點(diǎn)、循環(huán)遲滯回線下半枝與O′γ′τ′坐標(biāo)系τ′軸交點(diǎn)，O′為循環(huán)切應(yīng)力-應(yīng)變底點(diǎn)，γp、γe分別為循環(huán)切應(yīng)力-應(yīng)變曲線上任意點(diǎn)在O′γ′τ′坐標(biāo)系上的塑性切應(yīng)變值、彈性切應(yīng)變，Δγp、Δγe分別為循環(huán)遲滯回線的塑性切應(yīng)變幅、彈性切應(yīng)變幅，ΔWp、 ΔWl分別為循環(huán)遲滯回線上下半枝圍成的面積、下半枝與Oγτ坐標(biāo)系γ軸圍成的面積，Δτ為循環(huán)遲滯回線的應(yīng)力幅。

圖1 循環(huán)遲滯回線曲線Fig. 1 Cyclic hysteresis loop curve

令γa為循環(huán)切應(yīng)力-應(yīng)變曲線上任意點(diǎn)在O′γ′τ′坐標(biāo)系上的彈性切應(yīng)變值，其表達(dá)為

式中：τa為剪切應(yīng)力；G為剪切模量；k′為循環(huán)強(qiáng)度循環(huán)；n′為循環(huán)硬化系數(shù)。

循環(huán)遲滯回線(圖1 中藍(lán)色區(qū)域的上枝曲線和下枝曲線)反映了材料在疲勞斷裂過程中的循環(huán)力學(xué)特征，通常采用循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變曲線來描述。當(dāng)循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變曲線坐標(biāo)標(biāo)度放大一倍后，可以描述為循環(huán)遲滯回線的形狀，若坐標(biāo)原點(diǎn)取在遲滯回線環(huán)的底點(diǎn)(O點(diǎn))，則仿照式(1)可將循環(huán)遲滯回線的上枝曲線為

即

每個(gè)循環(huán)塑性應(yīng)變能密度ΔWp，定義為循環(huán)遲滯回線的上枝和下枝曲線所包圍的面積，如圖1 所示，即

進(jìn)一步可變換為

故有

將坐標(biāo)原點(diǎn)取在最小彈性段的滯后環(huán)下端點(diǎn)(見圖1)，環(huán)ODBEO成為最小環(huán)。沿彈性段調(diào)整各環(huán)所得到的重合上枝ODB稱為基本滯后環(huán)曲線。滯后環(huán)曲線由式(3)表達(dá)，將式(6)之積分寫成彈性及塑性二部分之和：

聯(lián)立式(3)、式(6)和式(7)，可得

得到

在研究金屬材料的低周疲勞行為時(shí)，背應(yīng)力X和摩擦應(yīng)力τF是循環(huán)遲滯回線中兩個(gè)重要的力學(xué)參數(shù)[12]。背應(yīng)力與局部應(yīng)變過程相關(guān)，提供了與移動(dòng)位錯(cuò)的長(zhǎng)程相互作用力，主要與材料中的微觀結(jié)構(gòu)屏障或應(yīng)變不相容性[13]有關(guān)，摩擦應(yīng)力通常對(duì)應(yīng)于位錯(cuò)移動(dòng)所需的局部應(yīng)力，主要與材料中的短程障礙物有關(guān)，如晶格摩擦、沉淀粒子、外來原子等位錯(cuò)[14]。

對(duì)于循環(huán)遲滯回線，背應(yīng)力能密度 ΔWb滿足

式中：nb為循環(huán)背應(yīng)力硬化系數(shù)。

根據(jù)能量法，在每個(gè)循環(huán)中，零件或部件由于吸收外部能量而在內(nèi)部產(chǎn)生不可逆的損傷，并且一旦達(dá)到能量閾值，零件就會(huì)因疲勞而失效?？紤]到彈性變形是可逆的，只有塑性應(yīng)變才能引起不可逆的疲勞損傷，疲勞累積損傷模型為

式中：WfT′為累積循環(huán)應(yīng)變能；Nf為疲勞壽命；Wf′和β為材料常數(shù)。

在實(shí)際應(yīng)用中，往往采用穩(wěn)定時(shí)的單周循環(huán)塑性背應(yīng)力能密度ΔWb作為描述疲勞損傷的參量，它的物理意義為Wf′為ΔWb與疲勞壽命指數(shù)Nf-β的乘積：

2 表面完整性影響因子

對(duì)于零部件加工表面層與基體幾何-力學(xué)-組織特征無(wú)差異的情況下，式(12)具有很好的適用性。然而在實(shí)際生產(chǎn)過程中，最后的機(jī)加工制造環(huán)節(jié)很難做到表面和次表面的無(wú)殘余應(yīng)力狀態(tài)。較深的殘余壓應(yīng)力層使得材料在一個(gè)周期內(nèi)的塑性應(yīng)變能密度ΔWp發(fā)生改變，尤其是經(jīng)過表面強(qiáng)化后。同時(shí)由于表面層材料微觀結(jié)構(gòu)中位錯(cuò)的重排和密度的變化，使材料的總的塑性能發(fā)生了變化。圖2 給出了表面層的殘余應(yīng)力能量修正系數(shù)：

式中：h0為殘余應(yīng)力降低為0 MPa 時(shí)層深；f(h)為殘余應(yīng)力隨深度變化的擬合曲線，h為任意點(diǎn)的殘余應(yīng)力層深； cos ( 0.5πh h0)為考慮不同深度處的殘余應(yīng)力對(duì)疲勞壽命的權(quán)重系數(shù)。為適用于表面強(qiáng)化等方式引起的較深殘余應(yīng)力的表面層，圖2(圖中σres為殘余應(yīng)力，n為材料常數(shù)，ΔKth為考慮表面形貌和顯微硬度的總能量修正系數(shù))紅色部分給出另一種殘余應(yīng)力修正系數(shù)：

圖2 殘余應(yīng)力引起的總應(yīng)變能變化Fig. 2 Change of total strain energy caused by residual stress

表面較差的幾何形貌勢(shì)必使得疲勞斷裂過早發(fā)生，總的應(yīng)變能Wf′發(fā)生改變，如圖2 所示。對(duì)于高強(qiáng)度鋼而言，硬度較大時(shí)的高強(qiáng)度鋼對(duì)微裂紋具有很強(qiáng)的敏感性，表面硬度大的區(qū)域反而成為較粗糙表面的致命疲勞源，具體為

式中：Hv為表面顯微硬度；為表面微裂紋不擴(kuò)展閾值[15]，具體為

a為表面形貌微裂紋深度方向特征參數(shù)，取值為表面輪廓算數(shù)平均偏差Ra，b為表面微裂紋水平間距特征參數(shù)，取值為表面輪廓微觀不平度間距Rsm[16]?？紤]到粗糙度輪廓具有隨機(jī)分布特征，深度很大一部分低于表面輪廓最大高度Ry[17]，因此引入表面輪廓十點(diǎn)不平高Rz，且Ry/Rz能夠很好地反映缺口幾何特征[18]，因此式(16)中a的最終取值為RaRy/Rz。

通過將幾何-力學(xué)-組織的多特征修正項(xiàng)代入能量法預(yù)測(cè)模型中，得到的修正模型如下：

式中：m為材料的固有系數(shù)。

3 試驗(yàn)安排

3.1 試樣制備

試驗(yàn)材料選用重載車輛扭力軸高強(qiáng)度鋼45CrNiMoVA材料，正火態(tài)鋼的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度分別為892 MPa、521 MPa，淬火態(tài)鋼的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度分別高達(dá)2 004 MPa、1 652 MPa。結(jié)合重載車輛扭力軸實(shí)際服役環(huán)境，試驗(yàn)安排如圖3所示。扭力軸遇到爬坡時(shí)，負(fù)重輪向上抬起，扭力軸受到來自平衡肘的剪切扭轉(zhuǎn)作用，長(zhǎng)時(shí)間的循環(huán)扭轉(zhuǎn)使得扭力軸容易在圓弧段和直線段的過渡區(qū)發(fā)生扭轉(zhuǎn)疲勞斷裂。為使疲勞試樣更加符合實(shí)際服役環(huán)境，試樣圓弧段采用相同的應(yīng)力集中系數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，等比例關(guān)系R/D=r/d，其中r、d分別為扭力軸過渡圓弧半徑尺寸、扭力軸中間直徑尺寸，R、D分別為小試樣過渡圓弧半徑尺寸、小試樣中間直徑尺寸。文獻(xiàn)[19]給出了直徑52 mm的重載車輛扭力軸的圓弧半徑為100 mm，可得試樣直徑D=12.5 mm時(shí)對(duì)應(yīng)的圓弧半徑R=24 mm，試樣設(shè)計(jì)基于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 12443—2017金屬材料 扭矩控制疲勞試驗(yàn)方法，設(shè)計(jì)的試樣符合實(shí)際扭力軸實(shí)心服役條件。

圖3 試驗(yàn)安排Fig. 3 Test arrangement

圖3 中的加工切削參數(shù)如表1 所示。使用基恩士公司生產(chǎn)的VK-X100 型3D 激光掃描顯微鏡測(cè)量表面形貌和粗糙度，通過多次測(cè)量取平均值的方式獲得表面粗糙度。采用南京山特儀器有限公司生產(chǎn)的HXS-1000A 型顯微硬度計(jì)(南京山特儀器有限公司生產(chǎn))對(duì)試樣表面顯微硬度進(jìn)行測(cè)量，采用愛斯特公司生產(chǎn)的X-350A 型X 射線應(yīng)力分析儀通過電解層去除法在兩個(gè)正交方向(周向和軸向)上測(cè)試殘余應(yīng)力，殘余應(yīng)力測(cè)試儀(邯鄲市愛斯特應(yīng)力技術(shù)有限公司生產(chǎn))使用常規(guī)X 射線衍射法，利用sin2ψ公式，側(cè)傾固定ψ法?？紤]到機(jī)加工產(chǎn)生較小的表面層，測(cè)試層間距約為3 μm。

表1 正火態(tài)45CrNiMoVA 鋼加工工藝安排Table 1 Machining of normalized 45CrNiMoVA steel

在微機(jī)控制的MTS-250kN809 閉環(huán)伺服液壓試驗(yàn)機(jī)(美國(guó)美特斯公司生產(chǎn))上進(jìn)行純扭轉(zhuǎn)疲勞測(cè)試，考慮到扭力軸服役中受到單向扭轉(zhuǎn)，應(yīng)變比為0、室溫環(huán)境下正弦波全應(yīng)變控制方式、最大應(yīng)變?yōu)?0.013 mm/mm，用美國(guó)伊普西龍公司生產(chǎn)的Epsilon 周向扭轉(zhuǎn)引伸計(jì)測(cè)量單調(diào)扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)中的 應(yīng)變。

3.2 背應(yīng)力能分析

如圖4 所示，單周次的循環(huán)塑性應(yīng)變能中主要包含摩擦應(yīng)力τF做功和背應(yīng)力X做功。其中，摩擦應(yīng)力τF做功以熱能形式擴(kuò)散出去，背應(yīng)力X做功產(chǎn)生的位錯(cuò)塞積能等特征能夠更好地反映疲勞性能。

模型的物理意義如圖4 所示，當(dāng)摩擦應(yīng)力τF在參考文獻(xiàn)[20-21]中建議的1.0×10-5反向塑性應(yīng)變偏移量確定以后，背應(yīng)力X滿足

圖4 循環(huán)遲滯回線中的背應(yīng)力和摩擦應(yīng)力Fig.4 Back stress and friction stress in hysteresis loop

結(jié)合式(9)，可得

圖5 所示為不同表面層對(duì)背應(yīng)力和摩擦應(yīng)力影 響趨勢(shì)。從圖5(a)中可以看出，隨著循環(huán)周次N的變化，不同表面層的背應(yīng)力X具有相同的變化趨勢(shì)，均呈現(xiàn)先循環(huán)硬化后軟化，但磨削工藝表面層產(chǎn)生了更大的Xmax，精車濕切工藝表面層產(chǎn)生了最小的Xmax，同時(shí)磨削工藝表面層產(chǎn)生了最大的摩擦應(yīng)力τF且逐漸趨于穩(wěn)定(見圖5(c))，3種車削工藝產(chǎn)生的摩擦應(yīng)力并未發(fā)生明顯的變化。

圖5 不同表面層的背應(yīng)力和摩擦應(yīng)力分析Fig. 5 Analysis of back stress and friction stress in different processes

通過式(19)得到的不同表面層的循環(huán)背應(yīng)力能變化趨勢(shì)如圖6 所示。由圖6 可知，不同加工工藝表面層對(duì)循環(huán)背應(yīng)力能的變化趨勢(shì)產(chǎn)生了不同影響，磨削工藝相對(duì)3 種車削工藝具有最小的背應(yīng)力能密度，且隨著循環(huán)周次的增加，具有穩(wěn)定的背應(yīng)力能密度(0.827 9 MPa·mm/mm)，在后期的壽命預(yù)測(cè)過程中以穩(wěn)定態(tài)的背應(yīng)力能作為計(jì)算量。然而半精車(濕切)和粗車具有更大的循環(huán)背應(yīng)變能密度，且呈現(xiàn)一直增大的趨勢(shì)，最后發(fā)生斷裂。

圖6 不同加工表面層的背應(yīng)力能密度隨循環(huán)周次的 變化趨勢(shì)Fig.6 Variation of cyclic back stress energy with life in different processes

3.3 加工工藝對(duì)表面完整性的影響

加工表面完整性特征參數(shù)和扭轉(zhuǎn)疲勞壽命如表2 所示?？紤]到不同深度的殘余應(yīng)力測(cè)量完成后難以進(jìn)行后續(xù)扭轉(zhuǎn)疲勞測(cè)試，首先取4 根不同加工工藝表面層的殘余應(yīng)力隨深度分布曲線，考慮到試樣的斷裂形式為剪斷，對(duì)周向殘余應(yīng)力進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果如圖7 所示。首先對(duì)測(cè)試的殘余應(yīng)力點(diǎn)進(jìn)行多項(xiàng)式擬合，通過式(13)可得因殘余應(yīng)力引起的不同加工工藝的能量修正值，分別為1.356 MPa·μm、2.76 MPa·μm、2.63 MPa·μm、 -1.538 MPa·μm，疲勞測(cè)試試樣的表面殘余應(yīng)力能修正項(xiàng)為

圖7 不同表面層的殘余應(yīng)力隨深度的變化趨勢(shì) Fig. 7 Variation of residual stress with depth in different processes

表2 正火態(tài)45CrNiMoVA 鋼的加工表面完整性與扭轉(zhuǎn)疲勞壽命表征Table 2 Characterization of machined surface integrity and torsional fatigue life of normalized 45CrNiMoVA steel

式中：σsurf表示疲勞測(cè)試試樣的表面殘余應(yīng)力；σsurf,conf表示殘余應(yīng)力測(cè)試試樣的表面殘余應(yīng)力；Wre′s,conf為殘余應(yīng)力測(cè)試試樣的能量修正項(xiàng)?？紤]到表面層殘余應(yīng)力、層深、權(quán)重系數(shù)三者的變化，比例能量修正項(xiàng)取，圖8 給出了壽命隨循環(huán)能修正系數(shù)的變化趨勢(shì)。

圖8 壽命隨循環(huán)能修正系數(shù)的變化趨勢(shì)Fig. 8 Variation of life with correction coefficient of cyclic strain energy

如圖9 所示，在循環(huán)應(yīng)變能法預(yù)測(cè)壽命時(shí)，不考慮機(jī)加工表面完整性的影響，單周次循環(huán)應(yīng)變能密度為常數(shù)，扭轉(zhuǎn)疲勞壽命預(yù)測(cè)誤差帶為2.02 倍。當(dāng)考慮加工表面完整性對(duì)扭轉(zhuǎn)疲勞壽命的影響時(shí)，壽命預(yù)測(cè)誤差分散帶顯著降低，為1.25 倍，且平均預(yù)測(cè)精度從72%顯著提高為0.9%。同時(shí)，為驗(yàn)證模型的可行性，對(duì)疲勞試驗(yàn)后的不同試樣的單周次能量密度進(jìn)行計(jì)算，并預(yù)測(cè)扭轉(zhuǎn)疲勞壽命。結(jié)果表明：疲勞試驗(yàn)前考慮表面完整性的模型與通過疲勞試驗(yàn)后計(jì)算單周次循環(huán)背應(yīng)力能密度預(yù)測(cè)模型的誤差分散帶相同，均為1.25 倍，表明本文建立的考慮表面完整性模型具有很大優(yōu)勢(shì)，可以實(shí)現(xiàn)疲勞試驗(yàn)后的實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)循環(huán)背應(yīng)力能密度的繁瑣計(jì)算過程和和疲勞試驗(yàn)。

圖9 正火態(tài)鋼考慮表面完整性的模型預(yù)測(cè)精度Fig. 9 Model prediction considering surface integrity of normalized steel

在考慮加工表面完整性的能量法預(yù)測(cè)模型中，最終得到的修正模型式(17)中，考慮殘余應(yīng)力修正系數(shù)的材料常數(shù)m與考慮表面形貌和硬度的修正材料常數(shù)n呈現(xiàn)7.38 倍線性關(guān)系，這就提供了一種新的表面完整性定量評(píng)價(jià)方法，可以通過獲得一定的殘余應(yīng)力能量修正系數(shù)的方式的來彌補(bǔ)實(shí)際機(jī)械加工生產(chǎn)過程中難以避免的缺陷。

同時(shí)對(duì)高強(qiáng)度鋼車磨削工藝的扭轉(zhuǎn)疲勞壽命預(yù)測(cè)驗(yàn)證，加工表面完整性與扭轉(zhuǎn)疲勞壽命表征如表3 所示，加工工藝如表4所示，總加工余量為0.6 mm，試樣詳細(xì)尺寸如圖3 所示，疲勞試驗(yàn)過程中，應(yīng)變比為0，最大扭轉(zhuǎn)應(yīng)變?yōu)?.0154 mm/mm。

表3 淬火態(tài)45CrNiMoVA 鋼的加工表面完整性與扭轉(zhuǎn)疲勞壽命表征Table 3 Characterization of machined surface integrity and torsional fatigue life of quenched 45CrNiMoVA steel

表4 淬火態(tài)45CrNiMoVA 鋼加工工藝安排Table 4 Machining of quenched 45CrNiMoVA steel

圖10 給出了疲勞試驗(yàn)后通過計(jì)算不同試樣的單周次循環(huán)背應(yīng)力能密度的扭轉(zhuǎn)疲勞壽命預(yù)測(cè)結(jié)果，預(yù)測(cè)精度從72.7%降低到了30.3%，誤差分散帶(藍(lán)色虛線)從1.82 倍擴(kuò)大到了3.30%，不考慮加工表面完整性預(yù)測(cè)疲勞壽命具有較大的預(yù)測(cè)誤差，嚴(yán)重阻礙了循環(huán)應(yīng)變能法預(yù)測(cè)不同表面狀態(tài)下的扭轉(zhuǎn)疲勞壽命?？紤]加工表面完整性的疲勞前循環(huán)背應(yīng)力能密度預(yù)測(cè)扭轉(zhuǎn)疲勞壽命與不考慮加工表面完整性的疲勞后循環(huán)背應(yīng)力能密度預(yù)測(cè)扭轉(zhuǎn)壽命預(yù)測(cè)相比，平均預(yù)測(cè)精度提高到了92.2%，且誤差分散帶從3.30 倍降到了1.25 倍，顯著提高了扭轉(zhuǎn)疲勞壽命預(yù)測(cè)精度。該模型使得能量法適用于不同加工表面特征，且可以基于現(xiàn)有的試驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確預(yù)測(cè)尚未開展疲勞試驗(yàn)的中低周疲勞壽命。

圖10 淬火態(tài)鋼考慮加工表面完整性的能量法預(yù)測(cè) 精度Fig. 10 Model prediction considering surface integrity of quenched steel

4 結(jié)論

本文針對(duì)傳統(tǒng)循環(huán)應(yīng)變能法預(yù)測(cè)疲勞壽命忽略了加工表面層特征，提出了一種考慮高強(qiáng)度鋼加工表面完整性的背應(yīng)力能法疲勞壽命預(yù)測(cè)模型，并以重載車輛扭力軸高強(qiáng)度鋼材料實(shí)際服役環(huán)境為背景，設(shè)計(jì)與實(shí)際扭力軸相同應(yīng)力集中系數(shù)的扭轉(zhuǎn)疲勞試樣，驗(yàn)證了模型的可行性。得出主要結(jié)論 如下：

1)本文引入了一種考慮加工表面完整性的修正因子，該修正因子能夠較好地描述不同表面完整性參數(shù)對(duì)疲勞性能的影響程度。殘余應(yīng)力能修正項(xiàng)Wre′s不僅考慮了表面殘余應(yīng)力的影響，同時(shí)考慮了不同深度處的殘余應(yīng)力對(duì)壽命的影響。硬度和粗糙度修正因子ΔKth考慮了表面形貌高度特征RaRy/Rz參數(shù)，將水平寬度特征Rsm參數(shù)引入修正因子中，同時(shí)考慮了表面微裂紋對(duì)硬度的敏感性，與試驗(yàn)疲勞壽命具有很強(qiáng)的一致性。

2)本文針對(duì)重載車輛扭力軸實(shí)際服役工況，通過扭轉(zhuǎn)疲勞試驗(yàn)驗(yàn)證了考慮表面完整性的修正模型的有效性，相對(duì)不考慮表面完整性的所有數(shù)據(jù)的誤差分散帶縮小了22%，預(yù)測(cè)精度提高了25%；相對(duì)實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)單周次能量密度的壽命預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)平均精度提高到了92.2%，且誤差分散帶從3.30 倍降到了1.25 倍。

3)本文提出的模型克服了因?qū)崟r(shí)計(jì)算不同表面完整性引起的單周次應(yīng)變能的繁瑣工作以及不適用性，可以基于現(xiàn)有的試驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確預(yù)測(cè)尚未開展疲勞試驗(yàn)的中低周疲勞壽命，通過添加表面完整性的修正因子，實(shí)現(xiàn)了面向服役性能的殘余應(yīng)力與表面形貌和顯微硬度的疲勞壽命預(yù)測(cè)，同時(shí)提供了一種新的表面完整性定量評(píng)價(jià)方法，為面向疲勞服役性能的主動(dòng)控制提供了依據(jù)。