摘要

將自制螺母噴丸前后的疲勞實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，同時(shí)對(duì)比了噴丸后的自制螺母與同規(guī)格沈制螺母的疲勞實(shí)驗(yàn)結(jié)果。結(jié)果表明，噴丸強(qiáng)化可以提高螺母的疲勞壽命，噴丸強(qiáng)化后的自制螺母水平階段的應(yīng)力升降范圍比未噴丸自制螺母明顯上升，較大的靜載荷比下，自制螺母斷裂時(shí)的疲勞循環(huán)周次較低，噴丸強(qiáng)化后自制螺母的FLPF為24.38%，F(xiàn)SIP為26.26%，相同的噴丸條件下，自制螺母強(qiáng)化后的抗疲勞特性較同規(guī)格沈制螺母有顯著提升，最大應(yīng)力為160 MPa時(shí)，自制件的循環(huán)周次較沈制件提高了87.8%。

關(guān)鍵詞： 螺母 ; 噴丸強(qiáng)化 ; 疲勞實(shí)驗(yàn) ; 疲勞壽命 ; 殘余應(yīng)力 ; S-N曲線

螺母是現(xiàn)代工程結(jié)構(gòu)及機(jī)械設(shè)備中非常重要的連接件[1]。在實(shí)際工作中，螺母在不同工況下受不同類型的載荷作用，導(dǎo)致螺母表面殘余應(yīng)力產(chǎn)生較大波動(dòng)，經(jīng)常出現(xiàn)批量性裂紋問題[2]。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)，在機(jī)械構(gòu)件和零件的斷裂事故中有80%歸屬于疲勞破壞[3]，為此提高螺母的疲勞強(qiáng)度和使用壽命是個(gè)重要的研究課題。

早期螺紋聯(lián)接結(jié)構(gòu)的研究內(nèi)容大多是通過有限元法對(duì)其應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行分析[4]。隨著工作進(jìn)程的深入，研究人員開展了結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)對(duì)構(gòu)件力學(xué)性能影響規(guī)律的探究。在實(shí)際載荷條件下對(duì)構(gòu)件疲勞和斷裂行為的評(píng)估非常復(fù)雜，Korin等[5]提出了一種克服這些困難的實(shí)驗(yàn)方法，可以分析拉伸循環(huán)載荷狀態(tài)下的螺紋組件疲勞行為。隨后研究者們對(duì)使用噴丸方法改善機(jī)械構(gòu)件的疲勞行為進(jìn)行了諸多探索，秦海迪等[6]對(duì)25CrNi2MoV鋼進(jìn)行表面噴丸處理，結(jié)果表現(xiàn)為經(jīng)噴丸處理后的試樣表面粗糙度、硬度與殘余壓應(yīng)力均增大，表明噴丸處理能細(xì)化試樣表層晶粒組織，抑制表面裂紋的萌生與擴(kuò)展，顯著提高滾動(dòng)接觸疲勞性能。隨著科技進(jìn)步，不斷有新的噴丸方法被用于改善機(jī)械構(gòu)件的疲勞行為研究中。Wang等[7]對(duì)7075鋁合金進(jìn)行了強(qiáng)激光沖擊噴丸，強(qiáng)激光沖擊噴丸引起的高致密位錯(cuò)結(jié)構(gòu)和高壓縮殘余應(yīng)力顯著改善了7075鋁合金的高溫疲勞性能，在150 ℃下其疲勞壽命增加了110%。Soyama等[8]對(duì)具有倒角或倒圓邊緣孔的樣品進(jìn)行空化噴丸處理，使空化氣泡塌陷的方式注入空化射流，最大拉伸應(yīng)力為150 MPa時(shí)，樣品的疲勞壽命延長了十倍以上。Sing等[9]分析了超聲波噴丸強(qiáng)化處理對(duì)提高結(jié)構(gòu)合金在低應(yīng)力/應(yīng)變下的疲勞壽命的作用，發(fā)現(xiàn)高周疲勞壽命的顯著改善主要?dú)w因于表面晶粒的細(xì)化和裂紋萌生過程的延遲，同時(shí)他們發(fā)現(xiàn)過多的超聲波噴丸處理會(huì)導(dǎo)致表面開裂并損害疲勞壽命。羅學(xué)昆等[10]研究了4種不同的表面加工方法對(duì)FGH95合金高周疲勞性能的影響規(guī)律，結(jié)果表明，有噴丸工藝的3種方法均可顯著提高試樣的高溫疲勞壽命，其中，復(fù)合噴丸方法高溫疲勞壽命增益效果最顯著，在650 ℃、550 MPa下的疲勞壽命是未噴丸試樣的疲勞壽命的26.3倍以上。研究者們對(duì)噴丸改善機(jī)械構(gòu)件的疲勞行為原理也進(jìn)行了探索，高玉芳等[11]認(rèn)為在噴丸過程中，表層金屬在高速彈丸的作用下發(fā)生較強(qiáng)的塑性變形，伴隨這個(gè)過程，晶體發(fā)生滑移，導(dǎo)致亞晶粒內(nèi)位錯(cuò)密度的增加，晶格畸變，微觀應(yīng)力增高，從而提高了試樣的屈服強(qiáng)度進(jìn)而導(dǎo)致其疲勞性能的增高。

噴丸強(qiáng)化能將螺母表面殘余拉應(yīng)力改變?yōu)閴簯?yīng)力，提高螺母的抗疲勞特性。本文通過未強(qiáng)化與噴丸強(qiáng)化后的自制螺母疲勞試驗(yàn)對(duì)比，驗(yàn)證了噴丸強(qiáng)化可以提高螺母的疲勞壽命，并將噴丸后的自制螺母與同規(guī)格沈制螺母進(jìn)行疲勞試驗(yàn)對(duì)比，進(jìn)一步驗(yàn)證了噴丸對(duì)螺母的抗疲勞特性的增強(qiáng)作用。

1 實(shí)驗(yàn)方法

試驗(yàn)用螺母為自行研制的螺母，采用1Cr11Ni2W2MoV材料，其成分 (質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%) 為：Ni 1.78，W 1.85，Cr 11.6，C 0.13，Si 0.22，Mn 0.51，Mo 0.47，V 0.23，F(xiàn)e余量[12]。密度7.9 g/cm3，Young's模量為2.1×105 MPa，Poisson's比為0.3，初始屈服強(qiáng)度為281.2 MPa，硬化模量為1086.68 MPa[13]。

根據(jù)GB/T 13682-92和GB 3075，對(duì)噴丸強(qiáng)化螺母和未強(qiáng)化螺母分別進(jìn)行軸向載荷疲勞測試，疲勞壽命曲線 (S-N曲線) 傾斜采用靜載荷比梯度法進(jìn)行測量，水平階段采用升降法進(jìn)行測量。疲勞測試設(shè)備為QBG-1005型高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)，在測試過程中保證螺母夾持固定不動(dòng)，且兩組測試都采用相同的頻率，以降低其他因素的影響，減小實(shí)驗(yàn)誤差。

疲勞實(shí)驗(yàn)方案根據(jù)GB/T 13682-92與GB 3075設(shè)計(jì)，應(yīng)力比R取0.1，即給螺母施加不對(duì)稱循環(huán)應(yīng)力，實(shí)驗(yàn)頻率為128 Hz。選取10%、20%、30%、40%的Fb (靜載破壞載荷) 的4個(gè)應(yīng)力水平Fb1、Fb2、Fb3和Fb4進(jìn)行測試，用于確定S-N曲線的傾斜部分。根據(jù)GB/T 13682-92和GB 3075，螺母按照4級(jí)應(yīng)力水平測試，每級(jí)2個(gè)試件，共8個(gè)試件。選取5%的Fb，即Fb0.5，用于確定S-N曲線的水平部分，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，螺母按照6個(gè)測試點(diǎn)測試，每點(diǎn)1個(gè)試件，共6個(gè)試件。實(shí)驗(yàn)中需設(shè)置一個(gè)試件用來校準(zhǔn)載荷，則要得到一種螺母的S-N曲線，需使用15個(gè)試件進(jìn)行疲勞測試。

2 結(jié)果分析

2.1 數(shù)據(jù)結(jié)果分析

隨機(jī)抽取15件未強(qiáng)化自制螺母與15件噴丸強(qiáng)化自制螺母，分別進(jìn)行軸向疲勞試驗(yàn)測試，每一組里各有一件螺母用于載荷校準(zhǔn)，得到的結(jié)果如圖1所示，當(dāng)循環(huán)次數(shù)達(dá)到107次時(shí)，默認(rèn)螺母在該應(yīng)力條件下不破壞，故循環(huán)次數(shù)達(dá)到107次的數(shù)據(jù)不在圖中過多顯示。由圖可以看出，當(dāng)采用較大的靜載荷比時(shí)，螺母斷裂時(shí)的疲勞循環(huán)周次較低，隨著靜載荷比的減小，其疲勞循環(huán)周次逐漸增大到107次，螺母在較小載荷的工作環(huán)境下疲勞壽命較長。噴丸強(qiáng)化前后螺母的S-N曲線的水平階段的應(yīng)力升降范圍對(duì)比如圖2所示，未經(jīng)噴丸強(qiáng)化的螺母水平階段最大應(yīng)力值在94~99 MPa之間，噴丸強(qiáng)化后的螺母水平階段的應(yīng)力升降范圍則明顯上升，最大應(yīng)力值在120~125 MPa之間，這說明噴丸強(qiáng)化后，彈丸的撞擊在螺母表面產(chǎn)生了塑性變形，螺母表面殘余應(yīng)力增大，導(dǎo)致螺母強(qiáng)度增大，使螺母承載能力有所上升。

圖1   螺母噴丸強(qiáng)化前后疲勞實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果

圖2   噴丸強(qiáng)化前后螺母S-N水平階段應(yīng)力升降對(duì)比圖

2.2 自制件疲勞實(shí)驗(yàn)分析

未噴丸強(qiáng)化與噴丸強(qiáng)化后的自制螺母疲勞試驗(yàn)斷裂結(jié)果如圖3所示，可以看出螺母的斷裂位置相似，都靠近螺母的圓弧部位。通過圖2螺母S-N水平階段應(yīng)力升降對(duì)比圖已知，噴丸強(qiáng)化后螺母的S-N曲線水平段明顯增大。

圖3   螺母疲勞實(shí)驗(yàn)斷裂結(jié)果

目前工程應(yīng)用中常用冪指數(shù)模型來描述材料應(yīng)力疲勞，由Basquin公式[14]表示，即

其中，σa為應(yīng)力幅值，σ‘f為真實(shí)斷裂應(yīng)力，Nf為疲勞壽命，b為疲勞強(qiáng)度指數(shù)。數(shù)據(jù)擬合得到未噴丸自制螺母的Basquin公式為

噴丸后自制螺母的Basquin公式為

得到自制螺母噴丸前后的S-N疲勞曲線如圖4所示。

圖4   螺母噴丸前后S-N曲線圖

表面強(qiáng)化對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響可用強(qiáng)度增加幅度來表征，稱為疲勞強(qiáng)度增比 (FSIP)[15]。而疲勞壽命增益系數(shù) (FLPF) 為強(qiáng)化試樣平均壽命的提高幅度與初始試樣平均壽命之比[15]。圖5為噴丸強(qiáng)化前后螺母的S-N曲線對(duì)比圖。由圖可以得到，噴丸強(qiáng)化后的螺母在相同疲勞載荷應(yīng)力幅值下，應(yīng)力周期明顯高于未強(qiáng)化的螺母，其抗疲勞性能有顯著提高。噴丸強(qiáng)化后自制螺母的FLPF為24.38%，F(xiàn)SIP為26.26%。

圖5   螺母噴丸前后S-N曲線對(duì)比圖

2.3 不同類型的螺母疲勞實(shí)驗(yàn)對(duì)比

將自制螺母和同規(guī)格的沈制螺母進(jìn)行疲勞實(shí)驗(yàn)對(duì)比，均采用室溫軸向疲勞實(shí)驗(yàn)方法，應(yīng)力比R同樣取值為0.1，實(shí)驗(yàn)頻率為128 Hz。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示，可以看出自制件噴丸強(qiáng)化螺母疲勞斷裂位置發(fā)生在靠近圓弧處；而沈制件螺母的斷裂發(fā)生在圓弧處，裂紋一直蔓延到螺母大端，螺母圓弧處與大端均有破裂現(xiàn)象。不同類型螺母的相同應(yīng)力幅值下循環(huán)周次柱狀圖如圖7所示，由圖可以得到自制螺母噴丸強(qiáng)化后的抗疲勞特性較沈制螺母有顯著提升，最大應(yīng)力為160 MPa時(shí)，自制件的循環(huán)周次較沈制件提高了87.8%。

圖6   不同類型的螺母疲勞試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

圖7   不同類型的螺母疲勞特性對(duì)比

3 結(jié)論

(1) 噴丸后自制螺母的疲勞特性明顯增強(qiáng)。噴丸強(qiáng)化后的螺母水平階段的應(yīng)力升降范圍比未噴丸螺母上升了許多，噴丸強(qiáng)化后，螺母表面存在殘余應(yīng)力，導(dǎo)致強(qiáng)度增大。

(2) 較大的靜載荷比下，自制螺母斷裂時(shí)的疲勞循環(huán)周次較低，隨著靜載荷比的減小，其疲勞循環(huán)周次逐漸增大到107次。

(3) 噴丸強(qiáng)化后的自制螺母在相同疲勞載荷應(yīng)力幅值下，應(yīng)力周期高于未強(qiáng)化的自制螺母，其抗疲勞性能顯著提高。噴丸強(qiáng)化后自制螺母的FLPF為24.38%，F(xiàn)SIP為26.26%。

(4) 噴丸強(qiáng)化后的自制螺母和噴丸強(qiáng)化后同規(guī)格的沈制螺母進(jìn)行對(duì)比，自制螺母噴丸強(qiáng)化后的抗疲勞特性較沈制螺母有顯著提升，最大應(yīng)力為160 MPa時(shí)，自制件的循環(huán)周次較沈制件提高了87.8%。

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