表面完整性对喷丸强化疲劳性能影响的研究综述

王哲

摘 要：从表面粗糙度、残余应力、微观组织等方面，总结表面完整性对疲劳性能影响的研究进展，分析表明：表面粗糙度、残余应力对疲劳性能影响显著；加工产生的晶粒细化、高密度位错等有助于提高疲劳寿命。实现疲劳强度和表面完整性的互逆设计是抗疲劳制造的发展方向。

关键词：表面完整性；疲劳性能；表面粗糙度；残余应力；微观组织

中图分类号：TG54 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2018）07-0052-02

A Review for the Effect of Surface Integrity on Fatigue Properties

WANG Zhe

（Xi'an Aeronautical Polytechnic Institute， Xi'an Shaanxi 710089）

Abstract： The research progress on the effect of surface integrity on fatigue properties is reviewed in terms of surface roughness， residual stress， microstructures and so on. The analysis indicates that the surface roughness and residual stress have significant influence on fatigue performance. Besides， grain refinement and high-density dislocation produced by machining contribute to fatigue life. Realizing mutual inverse design of fatigue strength and surface integrity is the development direction of anti- fatigue manufacturing.

Keywords： surface integrity；fatigue progress；surface roughness；residual stress；microstructure

1 表面粗糙度

保证加工表面完整性，提高疲劳强度，已经成为制造业的重要方向。相同情况下，表面完整性等级越高，抗疲劳能力越强[1]。

吴凌飞[2]通过研究发现，表面粗糙度Ra≤0.4μm时，经0.25mmA铸钢丸喷丸强化后疲劳寿命提高了约2个数量级，裂纹源从表面转向表层；Ra为1.6～2.0μm时，经0.35mmA铸钢丸喷丸强化后疲劳寿命提高23倍，裂纹源仍然在表面。季秀生[3]通过研究喷丸强化后表面粗糙度和疲劳寿命的关系，提出表面粗糙度是影响疲劳性能的因素之一，较好的表面粗糙度可以获得较好的疲劳性能。Andre[4]发现，当工件表面凸起缺陷超过材料固有缺陷时，表面粗糙度对疲劳寿命具有显著影响；裂纹源产生于气孔、夹杂物和机加缺陷处，表面划痕、擦伤等缺陷易产生应力集中，加剧裂纹的产生与扩展，造成疲劳断裂；光滑表面阻碍零件表面裂纹源的产生和扩展。

2 残余应力

残余应力是材料受机械外力和热应力共同作用后产生的自相平衡的应力。通过表面硬化处理产生残余压应力，可有效提高疲劳强度。James[5]研究发现，喷丸后叶片残余应力小于600MPa时，可以大大提高其疲劳寿命。Torres[6]发现，随着喷丸强度的增加，最大残余压应力增加，残余压应力场宽度增加，表面残余应力受喷丸参数影响较小，喷丸残余压应力场使中等和高周循环的疲劳裂纹产生于表面之下，所有低周循环下和未喷丸试件疲劳裂纹均产生于表面。Smith[7]研究了高强度钢AISI52100在5种加工工艺下表面完整性对疲劳性能的影响。结果表明：白层对疲劳寿命并不是有害的，疲劳寿命与表面残余压应力及最大残余压应力成正比。高玉魁[8]对钛合金TC18喷丸强化后的表面粗糙度、残余压应力及疲劳性能进行了研究，发现喷丸强化使钛合金疲劳裂纹源由多源变为单源，疲劳裂纹源萌生于表面强化层下，钛合金疲劳强度可提高30%左右。

3 微观组织

微观组织是影响疲劳强度的第三个重要因素，表层金属塑性变形增大，使表层组织硬化和晶粒变细，形成致密的纤维状，能有效阻止晶体滑移并形成殘余压应力层，从而改善工件表面的耐磨性和耐蚀性。Altenberger等[9]研究了滚压强化处理对Ti-6Al-4V高温疲劳寿命的影响，发现550℃条件下，尽管残余应力松弛较为严重，但滚压强化仍能有效延缓疲劳裂纹的扩展，提高疲劳寿命，此时滚压强化形成的晶粒细化对疲劳寿命的影响占主导地位。王仁智[10]提出了“疲劳裂纹萌生微细观过程理论”和“内部疲劳极限”，给出喷丸强化机理中存在应力强化机制和组织结构强化机制，发现喷丸后的表面应变层产生高的位错密度和晶粒细化有利于提高疲劳性能。张建斌等[11]研究了喷丸强化中TA2显微组织对疲劳性能的影响，发现喷丸强化表层有高密度位错、变形带和准孪晶栅栏出现，近表面强化层组织中形成的高密度位错和大量变形孪晶是疲劳强度提高的主要因素。田唐永[12]通过对比不同晶粒度TC4钛合金疲劳性能得出，晶粒越细，疲劳强度越好，湿喷丸强化效果越明显。

综上所述，加工产生的晶粒细化层、近表面强化层组织中形成的高密度位错和大量变形孪晶有利于提高疲劳性能。

4 总结

在表面粗糙度、残余应力和微观组织三个表面完整性特征中，表面粗糙度对疲劳性能的影响最大；残余压应力越大疲劳寿命越大，残余拉应力对疲劳寿命有害；加工产生的晶粒细化、高密度位错等对疲劳寿命有利。但是，现有研究主要是根据试验数据获得疲劳性能随表面完整性特征的变化趋势，还未形成系统完善的抗疲劳表面完整性控制体系。建立系统的抗疲劳表面完整性控制理论模型，实现疲劳强度和表面完整性的互逆设计是抗疲劳制造的发展方向。

参考文献：

[1]王仁智.工程金属材料/零件的表面完整性及其断裂抗力[J].中国表面工程，2011（5）：55-57.

[2]吴凌飞，王强，张志刚，等.喷丸强度对不同粗糙度表面超高强度钢疲劳性能的影响[J].材料保护，2014（8）：46-50.

[3]季秀升，李小强，邓同生.TA15钛合金喷丸强化[J].塑性工程学报，2012（3）：76-78.

[4]Andre XS， Sehitoglu H. A computer model for fatigue crack growth from rough surfaces[J]. International Journal of fatigue， 2000（7）：619-630.

[5]James M N，Newby M，Hattingh D G，et al. Shot-peening of steam turbine blades： Residual stresses and their modification by fatigue cycling[J]. Procedia Engineering，2010（1）：441-451.

[6]Torres MAS， Voorwald HJC. An evaluation of shot peening， residual stress and stress relaxation on the fatigue life of AISI 4340 steel[J]. International Journal of Fatigue， 2002（8）：877-886.

[7]Smith S， Melkote S N， Lara-Curzio E， et al. Effect of surface integrity of hard turned AISI 52100 steel on fatigue performance[J]. Materials Science & Engineering A，2007（1–2）：337-346.

[8]高玉魁.TC18超高強度钛合金喷丸残余压应力场的研究[J].稀有金属材料与工程，2004（11）：1209-1212.

[9]Altenberger I，Nalla R K，Sano Y，et al. On the effect of deep-rolling and laser-peening on the stress-controlled low- and high-cycle fatigue behavior of Ti–6Al–4V at elevated temperatures up to 550 °C[J]. International Journal of Fatigue，2012（44）：292-302.

[10]王仁智，姚枚.疲劳裂纹萌生的微细观过程与内部疲劳极限理论[J].金属热处理学报，1995（4）：26-34.

[11]张建斌.钛表面机械强化及其激光合金化研究[D].兰州：兰州理工大学，2007.

[12]田唐永.TC4钛合金喷丸强化组织与性能研究[D].大连：大连理工大学，2012.