喷丸强化对金属材料旋转弯曲疲劳强度的影响及其定量分析

喷丸强化可以显著提高材料的疲劳裂纹萌生抗力。关于材料疲劳极限提高的原因,一般认为是由于喷丸在试件表层引入的残余压应力抵消了部分载荷拉应力所致。然而,在喷丸试件表面残余压应力层下方的残余拉应力峰值区内却经常萌生疲劳裂纹,且在此条件下喷丸试件的疲劳极限往往都有显著提高。针对这一现象,姚枚、王仁智等通过理论分析和实验研究,提出了表面及内部疲劳极限的新概念认为:经过适当表面强化的试件,其内部萌生疲劳裂纹的临界应力(即内部疲劳极限,约为未经表面强化的相同材料试件在表面萌生疲劳裂纹的临界抗力(即表面疲劳极限)的1.35倍。该理论通过大量实验验证并在预测表面强化件表观疲劳极限中获得成功。但是以往的试验均在应力比R=0.05的三点弯曲条件下进行,在工程中常见的R–1旋转弯曲条件下上述概念是否适用,尚缺乏研究。

一、材料与试验方法

试验用材为双真空冶炼钢,其化学成分、热处理工艺及力学性能分别列入表1和表2。

未喷丸试样表面的机加工残余应力层用电解抛光法加以去除,喷丸强化试样采用逐层电解抛光,并在2903型X射线应力仪上测定残余应力沿层深的分布。在HY型疲劳试验机上进行旋转弯曲疲劳试验,加载频率为50 Hz,根据升降法确定材料的疲劳极限,循环周次为10的7次方。试样形状如图1所示。

二、试验结果与讨论

试验结果表明,在R–1的条件下,经适当喷丸强化的试件,裂纹萌生于残余压应力层下方的残余拉应力区,而表观疲劳极限却有明显提高。这说明由于强化而在试件内部萌生疲劳裂纹的临界抗力，高于非强化试件在表面萌生劳裂纹的临界抗力。

在循环加载过程中，喷丸强化试样内局部压应力将超过屈服极限，导致局部屈服，从而使残余应力的分布发生改变，即发生静载松弛，而我们研究残余应力静载松弛后，可通过一下方式表达：

上述结果表明,疲劳裂纹在内部萌生的临界应力要高于其表面萌生的临界应力;同时表明,在旋转弯曲条件下,材料的内及表面疲劳极限理论仍有效。由此可知,内部疲劳极限理论可于喷丸强化工艺的优化选择以及喷丸零件表观疲劳极限的定量预
测。

三、结论

1)经适当喷丸强化的300M钢,在旋转弯曲条件下疲劳裂丝萌生于试件内部残余拉应力峰值区,使表观疲劳极限得以明显高。
2)在旋转弯曲条件下, 300M钢的内部疲劳极限约为表面疲劳极限的1.39倍。