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          中國刀具信息網
          機械加工對疲勞壽命的影響
          文章來源:中國刀具信息網  添加人:阿刀  添加時間:2009-07-13
           

          圖1 壓應力阻止微裂紋發展和延伸


              對零件進行拋丸強化/ 噴丸強化處理可以獲得抗壓應力,抗壓應力可以大大減少零件在使用過程中產生疲勞裂紋的風險。
              由拋丸/噴丸強化(見圖1)引入的殘余壓應力是最終拉應力強度的一個百分比,該比率隨著零件材料本身強度/硬度的增加而增加。高強度/硬度的金屬更脆,對表面缺陷更敏感。對其進行拋丸/噴丸強化,能讓這些高強度金屬應用在易發生疲勞的工作條件下。
              機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。對焊接、研磨、過度磨削和金屬加工等工藝來說是有害的,機加工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早期疲勞失效。
              有益的機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、拋光和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,且最經濟有效,強化效果相當顯著。
              以下試驗說明了殘余應力對疲勞壽命的影響。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擴大。
          焊接
              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時進行的,那時是材料最熱、最膨脹外擴的狀態。然而再將其與表面溫度低很多的基體材料相接合,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,其結果就是焊料實際上是被基體材料“拉伸”開的。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。焊接補充材料、化學成分、幾何形狀和致密性等的不一致性,會更大地提高殘余拉應力,從而加速疲勞失效的發生。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。
              焊接造成的拉應力加上零件服役后所承受的載荷應力,會共同加速焊接部位的早期失效。
              如果對焊接部位在620℃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形成和延伸。最佳的工藝工序是,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,從而可以最大可能地產生一個更深的壓應力層。
              美國焊接學會(AMS)手冊提醒,如果鋼結構如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,也可能是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入一個殘余壓應力是有益的!
              拋丸/噴丸強化可以有效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。該事實已被以下機構確認證實:美國機械工程師學會、美國船舶局、美國石油協會和美國國際腐蝕工程師協會。
          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,從而試圖擴展。受熱的材料弱于周圍金屬,在冷卻時,壓力屈服的金屬試圖收縮,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。
              不同磨削工藝產生不同的殘余拉應力。一塊1020,150-180 BHN 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,且有更深的拉應力層。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。
          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。在疲勞載荷下,由鍍硬鉻產生的細小裂紋在基體材料里會向四周延展,最后導致疲勞失效。
              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2說明了這一概念,并假設給零件一個動態交變應力作用。微裂紋在基體材料內延展開;圖2右圖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和擴展。
              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 MIL-C-26074明確規定,鋼制零件在鍍鉻和化學鍍鎳前必須先經過拋丸/噴丸強化。
          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。
          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,被證實為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,則能改善表面光整度和致密性。

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