冉 剛，乙曉偉，張仕朝，王 泓

(1.西北工業(yè)大學(xué) 材料學(xué)院，西安 710072；2.中國(guó)航發(fā)北京航空材料研究院，北京 100095)

基于雙參數(shù)壽命模型的抗疲勞制造結(jié)果參量分析方法

冉 剛1，乙曉偉1，張仕朝2，王 泓1

(1.西北工業(yè)大學(xué) 材料學(xué)院，西安 710072；2.中國(guó)航發(fā)北京航空材料研究院，北京 100095)

為評(píng)估抗疲勞主要參量對(duì)S-N曲線的作用規(guī)律，采用雙參數(shù)疲勞壽命模型作為分析基礎(chǔ)，引入材料本征S-N曲線概念，將制造參量轉(zhuǎn)化為制造結(jié)果參量系數(shù)，在從理論模型角度系統(tǒng)分析各個(gè)參量對(duì)壽命曲線的作用規(guī)律的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步對(duì)實(shí)驗(yàn)獲得的高溫合金GH4169在成型機(jī)加工、表面完整性機(jī)加工和表面高能強(qiáng)化三種制造工藝下的疲勞S-N數(shù)據(jù)進(jìn)行疲勞抗力系數(shù)Mf和理論疲勞極限Sc對(duì)應(yīng)力集中系數(shù)Kt的敏感性進(jìn)行分析。結(jié)果表明：高能強(qiáng)化可顯著提高光滑試樣和缺口試樣的疲勞性能；對(duì)于光滑構(gòu)件或低應(yīng)力集中系數(shù)的構(gòu)件，高能強(qiáng)化對(duì)疲勞性能的提高主要表現(xiàn)在提高了疲勞抗力系數(shù)；而對(duì)于高應(yīng)力集中系數(shù)的構(gòu)件，高能強(qiáng)化對(duì)疲勞性能的提高主要表現(xiàn)在提高了理論疲勞極限；此外，利用結(jié)果參量系數(shù)分析S-N曲線的方法，對(duì)于理解抗疲勞制造機(jī)理具有重要參考價(jià)值。

疲勞壽命模型；S-N曲線；應(yīng)力集中；抗疲勞

疲勞裂紋的萌生多是一種材料表面或表層行為[1]，而構(gòu)件在循環(huán)載荷作用下的疲勞損傷或開裂總是發(fā)生在宏觀應(yīng)力集中部位[2-4]，表現(xiàn)為疲勞應(yīng)力集中的敏感性[5-6]問題。研究表明，應(yīng)力集中敏感性與缺口根部材料表面完整性密切相關(guān)，涉及表面形貌、表層殘余應(yīng)力和表層材料微結(jié)構(gòu)組態(tài)等重要的制造結(jié)果參量。在認(rèn)識(shí)到了疲勞失效的機(jī)制和過程[7-8]之后，人們?cè)诓牧虾蜆?gòu)件的制造過程中開始采用各種技術(shù)措施和管理手段來提高疲勞壽命，而應(yīng)力集中部位的表面抗疲勞制造是疲勞延壽工作的核心內(nèi)容，其實(shí)質(zhì)就是通過優(yōu)化各種制造參量，實(shí)現(xiàn)上述三個(gè)主要制造結(jié)果參量的最合理匹配，降低或消除疲勞缺口的敏感性，以延長(zhǎng)構(gòu)件的壽命[5]。

各種制造參量，如機(jī)床的進(jìn)給量、切削速率、刀刃參數(shù)、刀刃材質(zhì)、冷卻參數(shù)、噴丸強(qiáng)度、丸粒直徑和丸粒材料等，對(duì)材料的疲勞性能產(chǎn)生巨大影響[9-10]，研究制造參量對(duì)疲勞壽命的影響從微觀和宏觀兩個(gè)方面展開：微觀方面主要從起裂前的位錯(cuò)微結(jié)構(gòu)演化[11-12]和微力學(xué)[13]展開研究，采用XRD、EBSD[14]和同步中子衍射[15]等手段進(jìn)行了大量研究；宏觀方面針對(duì)制造對(duì)疲勞性能影響的研究主要集中在工藝參數(shù)的優(yōu)化等[16-19]。三個(gè)主要制造結(jié)果參量，即表面形貌、表層殘余應(yīng)力和表層材料微結(jié)構(gòu)組態(tài)分別對(duì)應(yīng)缺口根部的微幾何、微力學(xué)和微結(jié)構(gòu)，其對(duì)疲勞壽命的影響已有大量的研究和共識(shí)，即表面粗糙度越小、表層殘余壓應(yīng)力越大和表層微結(jié)構(gòu)組態(tài)的硬度越高，則在相同的載荷和環(huán)境條件下疲勞壽命越長(zhǎng)。然而，采用某些特定的制造參量的組合加工，其結(jié)果并非總是能實(shí)現(xiàn)三個(gè)制造結(jié)果參量的一致優(yōu)化，如噴丸強(qiáng)化后優(yōu)化了微力學(xué)和微結(jié)構(gòu)，但導(dǎo)致微幾何因素朝不利方向演化。因此，如何根據(jù)構(gòu)件的具體服役條件實(shí)施經(jīng)濟(jì)有效的抗疲勞制造，以獲得制造結(jié)果參量在數(shù)值上的合理匹配，需要理論研究成果的指導(dǎo)。

本研究在建立包含制造結(jié)果參量的雙參數(shù)疲勞壽命模型基礎(chǔ)上，系統(tǒng)分析制造結(jié)果參量對(duì)疲勞S-N曲線形狀和位置的影響規(guī)律，進(jìn)一步借助新模型討論GH4169合金在服役溫度條件下的疲勞實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，深化對(duì)抗疲勞制造機(jī)理的理解。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

化學(xué)分析法測(cè)得的材料成分如表1所示，符合優(yōu)質(zhì)GH4169的成分要求。優(yōu)質(zhì)GH4169棒料熱處理制度：960 ℃×1 h/空冷+720 ℃×8 h/以50 ℃/h爐冷到620 ℃×8 h/空冷，棒料經(jīng)鍛造成為90 mm方料，其鍛后熱處理制度為：鍛后水冷+720 ℃×8 h/以50 ℃/h爐冷到620 ℃×8 h/空冷，其晶粒度10級(jí)左右，基本力學(xué)性能為：σ0.2=1336 MPa，σb=1485 MPa，δ5=21.3%，ψ=47.4%。

采用的旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試樣為非標(biāo)準(zhǔn)圓弧形光滑小試樣和非標(biāo)準(zhǔn)圓弧形V型缺口小試樣，試樣形狀和尺寸依據(jù)HB 5153—1996確定。試件選取應(yīng)力集中系數(shù)Kt=1，2，3，4，工作段有三種表面狀態(tài)：成型加工狀態(tài)、表面完整性加工狀態(tài)和表面強(qiáng)化狀態(tài)。表面完整性加工狀態(tài)的加工方式與成型加工相同，但是采取優(yōu)化過的機(jī)械加工工藝參數(shù)進(jìn)行加工；表面強(qiáng)化狀態(tài)是針對(duì)材料進(jìn)行抗疲勞制造研究而確定的優(yōu)化的表面強(qiáng)化工藝。成型加工狀態(tài)和表面完整性加工均采用磨削加工，抗疲勞制造采用高能強(qiáng)化工藝。

表1 GH4169的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)Table 1 Chemical composition of GH4169(mass fraction/%)

疲勞實(shí)驗(yàn)選取懸臂式旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)。實(shí)驗(yàn)方法參照標(biāo)準(zhǔn)HB 5153—1996《金屬高溫旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)方法》執(zhí)行。疲勞實(shí)驗(yàn)條件為：應(yīng)力比R=-1；實(shí)驗(yàn)頻率83 Hz；溫度650 ℃。

2 制造結(jié)果參量與雙參數(shù)疲勞壽命模型的耦合

2.1雙參數(shù)疲勞壽命模型

文獻(xiàn)[6]由理論推導(dǎo)得出了材料在無應(yīng)力集中下的雙參數(shù)應(yīng)力疲勞壽命公式：

Nf=Cf[Seqv-(Seqv)c]-2

(1)

(2)

式(1)中：Cf，(Seqv)c分別為疲勞抗力系數(shù)和用當(dāng)量應(yīng)力幅表示的理論疲勞極限，它們均為材料常數(shù)。式(2)中：Seqv為當(dāng)量名義應(yīng)力幅；Sa為名義應(yīng)力幅。

當(dāng)R=-1，即交變對(duì)稱循環(huán)，Seqv=Sa。于是，式(1)可簡(jiǎn)化為：

Nf=Cf[Sa-Sac]-2

(3)

式(1)是能表示應(yīng)力比和平均應(yīng)力影響的應(yīng)力疲勞壽命公式，而式(3)則是式(1)的一個(gè)特例。本工作采用旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞實(shí)驗(yàn)方法，其應(yīng)力比R=-1，故選取式(3)進(jìn)行數(shù)據(jù)表達(dá)和分析。

雙參數(shù)應(yīng)力疲勞公式(3)中，外加于構(gòu)件之上的名義應(yīng)力Sa是疲勞產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力，構(gòu)件上沒有外加疲勞應(yīng)力便不產(chǎn)生疲勞問題。疲勞抗力系數(shù)Cf和理論疲勞極限Sac是疲勞破壞的阻力，它是材料抵抗疲勞破壞的能力，是材料本身的屬性，與驅(qū)動(dòng)力大小無關(guān)。疲勞產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力越大，疲勞壽命越短；疲勞破壞阻力越大，疲勞壽命越長(zhǎng)。驅(qū)動(dòng)力和阻力相互作用決定疲勞壽命。

雙參數(shù)應(yīng)力疲勞壽命模型由理論推導(dǎo)得出，其有效性在低合金高強(qiáng)度鋼、不銹鋼、超高強(qiáng)度鋼、鋁合金、鈦合金、鋁鋰合金等多種金屬材料中已得到驗(yàn)證[6]，是通用的應(yīng)力疲勞壽命公式。該公式只有兩個(gè)參數(shù)，且參數(shù)有比較明確的物理含義和幾何含義。使用雙參數(shù)壽命模型進(jìn)行研究可以將問題簡(jiǎn)化。

2.2反映構(gòu)件疲勞性能的制造結(jié)果參量

真實(shí)的構(gòu)件上會(huì)存在幾何形狀和外形尺寸上的突變，造成宏觀應(yīng)力集中，這是由于構(gòu)件設(shè)計(jì)造成的，是不可避免的。宏觀應(yīng)力集中的存在造成疲勞強(qiáng)度或疲勞壽命的降低，抗疲勞制造就是要通過制造技術(shù)降低甚至消除宏觀應(yīng)力集中Kt對(duì)疲勞性能的不利影響。

制造工藝多種多樣，機(jī)械加工、表面機(jī)械強(qiáng)化、表面化學(xué)處理等，從其對(duì)材料表層產(chǎn)生的影響來看，都是在材料表面或表層引起了三種因素的變化：表面形貌的改變，制造表面和表層引入殘余應(yīng)力，以及表面和表層組織結(jié)構(gòu)的變化；即造成制造表面或表層微幾何、微力學(xué)和微結(jié)構(gòu)的改變，而疲勞是表面或表層敏感的，表面或表層這三個(gè)因素的變化改變了疲勞裂紋萌生的條件，引起疲勞壽命的變化。因此，從具體的制造參量中抽離出這三個(gè)因素，將其定義為影響構(gòu)件疲勞性能的制造結(jié)果參量。

反映真實(shí)構(gòu)件疲勞壽命的模型應(yīng)該包含宏觀應(yīng)力集中系數(shù)和制造結(jié)果參量，即宏觀應(yīng)力集中系數(shù)Kt；表面形貌影響；表面或表層的殘余應(yīng)力影響；表面或表層的組織結(jié)構(gòu)影響。將這四個(gè)參量引入雙參數(shù)壽命模型，實(shí)質(zhì)是觀察制造結(jié)果參量如何改變雙參數(shù)壽命模型中的兩個(gè)系數(shù)：疲勞抗力系數(shù)和理論疲勞極限，這兩個(gè)系數(shù)決定了S-N曲線的形狀和位置?？蛊谥圃斓哪康木褪峭ㄟ^制造技術(shù)提高這兩個(gè)系數(shù)的值，以提高疲勞壽命。

2.3含制造結(jié)果參量影響系數(shù)的疲勞雙參數(shù)模型

假設(shè)存在一條材料本征S-N曲線，該曲線無制造結(jié)果影響，只是表征材料本身疲勞性能好壞?？烧J(rèn)為本征S-N曲線是在無宏觀應(yīng)力集中(Kt=1)、表面粗糙度Ra小于0.1、無表層殘余應(yīng)力、表層組織結(jié)構(gòu)與內(nèi)部完全一致條件下測(cè)得的S-N曲線。其兩參數(shù)疲勞壽命表達(dá)如式(3)。

Kt和表面制造引起本征S-N曲線疲勞抗力系數(shù)Cf和理論疲勞極限Sac的數(shù)值發(fā)生改變?，F(xiàn)逐一考慮宏觀應(yīng)力集中Kt和三個(gè)制造結(jié)果參量對(duì)疲勞產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力和阻力的影響，將這四個(gè)因素引入兩參數(shù)疲勞S-N曲線，建立新的模型。

(1)宏觀應(yīng)力集中對(duì)疲勞壽命的影響

宏觀應(yīng)力集中使構(gòu)件缺口根部形成應(yīng)力梯度，放大了構(gòu)件承受的名義應(yīng)力，因此，其主要作用表現(xiàn)為使疲勞驅(qū)動(dòng)力產(chǎn)生明顯增加。在彈性范圍內(nèi)，構(gòu)件缺口表面所受的真實(shí)應(yīng)力為Sa=KtSn，將其代入式(3)，可得式(4)。

Nf=Cf[KtSn-Sac]-2

(4)

式中：Sn為缺口構(gòu)件所承受的名義疲勞應(yīng)力幅。

圖1(a)給出了S-N曲線隨著應(yīng)力集中系數(shù)Kt的變化規(guī)律。Kt越大，疲勞性能急劇降低。

(2)表面形貌對(duì)疲勞壽命的影響

不同的制造工藝產(chǎn)生不同的表面形貌，包括表面紋理，粗糙度等。從微觀上看，表面輪廓高低起伏，可看作是微區(qū)的眾多缺口，這些微觀缺口會(huì)在表面造成應(yīng)力集中，加劇疲勞開裂的產(chǎn)生。表面應(yīng)力集中增加疲勞產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力，用系數(shù)Ks表示表面應(yīng)力集中產(chǎn)生的影響。Ks是大于1的，當(dāng)Ks=1表示無表面應(yīng)力集中，Ks越大表示表面應(yīng)力集中越大。

構(gòu)件缺口根部疲勞危險(xiǎn)微區(qū)承受的真實(shí)應(yīng)力為Sa=Ks(KtSn)，代入式(3)可得式(5)。

(5)

圖1(b)給出了缺口試樣(Kt=3)的S-N曲線隨表面應(yīng)力集中系數(shù)Ks的變化規(guī)律，Ks越大，疲勞壽命降低越多。

(3)殘余應(yīng)力對(duì)疲勞壽命的影響

構(gòu)件表層普遍存在殘余應(yīng)力，殘余應(yīng)力是對(duì)外加載荷的線性疊加，因此其主要作用表現(xiàn)在對(duì)驅(qū)動(dòng)力的線性增減。用Sσ來表示殘余應(yīng)力，當(dāng)Sσgt;0表示受殘余拉應(yīng)力；當(dāng)Sσlt;0時(shí)表示受殘余壓應(yīng)力影響。

含缺口和表面應(yīng)力集中的構(gòu)件，其缺口根部疲勞危險(xiǎn)區(qū)承受的真實(shí)驅(qū)動(dòng)應(yīng)力為Sa=Ks(KtSn)+Sσ，代入式(3)可得式(6)。

Nf=Cf[(Ks(KtSn) +Sσ)-Sac]-2

(6)

圖1(c)給出了缺口試樣(Kt=3)的S-N曲線隨著Sσ變化的規(guī)律。殘余壓應(yīng)力作用時(shí)，疲勞壽命提高，殘余壓應(yīng)力越大，壽命提高越多。

(4)變質(zhì)層微結(jié)構(gòu)對(duì)疲勞壽命的影響

經(jīng)制造完成的構(gòu)件，其表層組織結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，產(chǎn)生不同于基體材料的組織結(jié)構(gòu)。這種改變根據(jù)材料、制造工藝，制造工藝參數(shù)的不同差異很大，譬如，磨削表面的組織變質(zhì)層厚度小于100 μm，而高能改性的表面組織變質(zhì)層厚度有可能超過1 mm。

表層組織結(jié)構(gòu)的改變，改變了構(gòu)件疲勞起裂關(guān)鍵位置的材料本身的性能，其主要作用體現(xiàn)在增加疲勞產(chǎn)生的阻力。引入制造結(jié)果影響因素的構(gòu)件的疲勞影響的壽命公式如式(7)：

Nf=αCf[(Ks(KtSn)+Sσ)-βSac]-2

(7)

式中：Cf為材料本征疲勞抗力系數(shù)；Sac為材料本征理論疲勞極限；Kt為構(gòu)件的宏觀應(yīng)力集中系數(shù)；Ks為表面應(yīng)力集中影響系數(shù)(疲勞制造結(jié)果影響因子)；Sσ為殘余應(yīng)力；α為表層組織改變對(duì)疲勞抗力的影響系數(shù)；β為表層組織改變對(duì)理論疲勞極限的影響系數(shù)。當(dāng)0lt;αlt;1，0lt;βlt;1時(shí)，表示組織弱化作用；當(dāng)αgt;1，βgt;1時(shí)，表示組織強(qiáng)化作用。

圖1(d)給出了缺口試樣(Kt=3)的S-N曲線隨著α和β的變化規(guī)律，α和β越大壽命提高越多。

現(xiàn)將式(7)轉(zhuǎn)化成標(biāo)準(zhǔn)的雙參數(shù)疲勞壽命模型。

Sσ=KσSac

(8)

將式(8)代入式(7)，整理得：

Nf=Mf(Sn-Sc)-2

(9)

其中，

(10)

(11)

式(9)即標(biāo)準(zhǔn)形式的引入制造結(jié)果參量的構(gòu)件雙參數(shù)疲勞壽命公式。式中：Mf為構(gòu)件的疲勞抗力系數(shù)；Sc為構(gòu)件的理論疲勞極限，Sn為構(gòu)件承受的名義疲勞應(yīng)力。

由式(10)和式(11)可見，制造結(jié)果改變了構(gòu)件的疲勞抗力系數(shù)Mf和構(gòu)件的理論疲勞極限Sc，這兩個(gè)參數(shù)的變化是各個(gè)制造結(jié)果參量互相耦合共作用的結(jié)果。Kt和Ks降低了系數(shù)值，起弱化作用。Kσ為負(fù)值時(shí)起到強(qiáng)化作用，當(dāng)Kσ為正值時(shí)起到弱化作用。α，β大于1時(shí)起強(qiáng)化作用，小于1時(shí)起弱化作用。抗疲勞技術(shù)手段通過對(duì)疲勞危險(xiǎn)部位表層材料的改造，重構(gòu)表面變質(zhì)層，從而提升構(gòu)件的疲勞性能。一方面，減少弱化因素Ks的影響；另一方面，讓強(qiáng)化因素Kσ，α和β合理匹配起到最優(yōu)效果，提升疲勞性能，抵消弱化因素Kt和Ks作用。

3 結(jié)果與分析

3.1實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖2給出了GH4169高溫合金Kt=1和Kt=3的S-N曲線，比較了成型機(jī)械加工，表面完整性機(jī)械加工和表面高能強(qiáng)化試樣的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。圖2中的曲線是式(9)擬合的結(jié)果，擬合的線性相關(guān)系數(shù)大于0.9，擬合效果良好。

由圖2可見，相比于機(jī)加工表面的試樣，表面強(qiáng)化后的光滑試樣和缺口試樣的S-N曲線均得到提升，尤其是缺口試樣疲勞性能的提升尤為顯著，抗疲勞制造效果顯著。相同宏觀應(yīng)力集中系數(shù)下，由于不同的制造工藝使試樣的表面狀態(tài)發(fā)生改變，S-N曲線的形狀和位置發(fā)生了改變，即改變了雙參數(shù)壽命模型式(9)中的疲勞抗力系數(shù)Mf和理論疲勞極限Sc的值。表2給出式(9)的擬合結(jié)果。

3.2疲勞抗力系數(shù)對(duì)Kt的敏感性

圖3(a)給出了疲勞抗力系數(shù)Mf隨Kt的變化規(guī)律。由圖3(a)可見，隨著Kt增加Mf逐漸降低，表面狀態(tài)不同降低的速率不同。由式(10)可知，Kt是疲勞抗力系數(shù)的弱化因素，隨Kt增加則Mf降低，這與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。在Ktlt;3，Mf隨Kt的降低趨勢(shì)明顯，Mf的值對(duì)應(yīng)力集中的增大較敏感；而在Ktgt;3的高應(yīng)力集中區(qū)域，這種敏感性降低，Mf隨Kt增加降低的不多。由式(10)還可知，決定構(gòu)件疲勞抗力系數(shù)值大小的因素，除了弱化因素Ks還有強(qiáng)化因素α。在高應(yīng)力集中(Ktgt;3)區(qū)域Mf對(duì)Kt的敏感性下降，可能是由于在高應(yīng)力集中下組織結(jié)構(gòu)的強(qiáng)化效果α的作用效果更明顯，而表面應(yīng)力集中Ks的作用效果弱化。

表2 式(9)對(duì)GH4169高溫合金在650 ℃下S-N數(shù)據(jù)的擬合結(jié)果Table 2 Fitting results of experimental data of GH4169 superallogy fitted by equation (9) at 650 ℃

成型加工和表面完整性加工的試樣，并未表現(xiàn)出明顯的差異。成型加工和表面完整性加工都是磨削加工成型，但是具體工藝參數(shù)不同，本研究選取的工藝參數(shù)并未引起疲勞抗力系數(shù)的顯著變化。表面高能強(qiáng)化的曲線高于機(jī)加工的狀態(tài)，說明表面強(qiáng)化比機(jī)加工提升疲勞抗力系數(shù)；另一方面，表面強(qiáng)化曲線的斜率大于機(jī)械加工，說明表面強(qiáng)化試樣的Mf的衰減對(duì)Kt更敏感。

將機(jī)加工試樣和表面高能強(qiáng)化試樣進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，在Kt=1時(shí)高能強(qiáng)化的Mf值明顯高于機(jī)加工試樣；隨著Kt的增加，兩者的差異越來越小；當(dāng)Kt≥3時(shí)這種差異變得非常小。這說明，隨著Kt的增加，制造工藝的不同對(duì)疲勞抗力系數(shù)Mf影響的差異性越來越小。換言之，當(dāng)應(yīng)力集中系數(shù)較小時(shí)，構(gòu)件采用不同的制造技術(shù)，其疲勞抗力系數(shù)會(huì)有明顯的不同，但隨著Kt的增大，這種差異有減小的趨勢(shì)；當(dāng)應(yīng)力集中系數(shù)增大到一定值，即使構(gòu)件采用不同的制造技術(shù)，其疲勞抗力系數(shù)也不會(huì)有較大的區(qū)別，即在高應(yīng)力集中的情況下，疲勞抗力系數(shù)對(duì)表面制造狀態(tài)不敏感。由式(10)可知，疲勞抗力系數(shù)Mf由Kt，Ks和α決定，不同的制造工藝產(chǎn)生不同的(Ks，α)數(shù)值匹配，當(dāng)應(yīng)力集中足夠大時(shí)，不同的(Ks，α)匹配的作用效果對(duì)Mf是趨于一致的。

3.3理論疲勞極限對(duì)Kt的敏感性

圖3(b)給出了GH4169的理論疲勞極限Sc隨Kt的變化規(guī)律。由圖可見，隨Kt增加Sc存在降低的趨勢(shì)；由式(11)可知，Kt是理論疲勞極限的弱化因素，隨Kt增加則Sc降低。成型加工和表面完整性加工的試樣并未表現(xiàn)出明顯的差異，這兩組機(jī)加工工藝參數(shù)并未對(duì)理論疲勞極限產(chǎn)生顯著差異。

將機(jī)加工試樣和表面高能強(qiáng)化試樣進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)：對(duì)于光滑試樣，表面強(qiáng)化試樣的理論疲勞極限高于機(jī)加工試樣，但兩者的差異不大；盡管理論疲勞極限均隨Kt的增加而下降，但高能強(qiáng)化下降趨勢(shì)明顯小于機(jī)械加工。因此，在缺口試樣中表面強(qiáng)化表現(xiàn)出遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于機(jī)加狀態(tài)的疲勞極限。這說明，隨著Kt的增加，制造工藝的不同對(duì)理論疲勞極限的影響越來越大。即高應(yīng)力集中的情況下，理論疲勞極限對(duì)表面制造狀態(tài)更加敏感。由式(11)可知，理論疲勞極限Sc由Kt，Ks，Kσ和β共同決定，當(dāng)應(yīng)力集中系數(shù)較小時(shí)，理論疲勞極限對(duì)(Ks，Kσ，β)數(shù)值的變化敏感度較?。划?dāng)應(yīng)力集中系數(shù)較大時(shí)，理論疲勞極限對(duì)(Ks，Kσ，β)數(shù)值的變化敏感度較高。表面高能強(qiáng)化后，理論疲勞極限強(qiáng)化因素Kσ和β得到了巨大的提升，從而彌補(bǔ)了弱化因素Kt和Ks的影響?？蛊谥圃炀褪且ㄟ^構(gòu)造合適的表面變質(zhì)層，使(Ks，Kσ，β)的參數(shù)值組合盡量?jī)?yōu)化，以盡可能地提高理論疲勞極限。

通過對(duì)比圖3(a)和圖3(b)可以看出，對(duì)于機(jī)械加工狀態(tài)和高能強(qiáng)化狀態(tài)，當(dāng)構(gòu)件的應(yīng)力集中系數(shù)較小時(shí)，兩者的疲勞抗力系數(shù)差異較大，而理論疲勞極限差異較小；若構(gòu)件的應(yīng)力集中系數(shù)較大時(shí)，兩者疲勞抗力系數(shù)的差異反而很小，而理論疲勞極限的差異反而增大。也就是說，當(dāng)應(yīng)力集中較小時(shí)，Mf對(duì)表面狀態(tài)敏感而Sc對(duì)表面狀態(tài)敏感度??；當(dāng)應(yīng)力集中較大時(shí)，Mf對(duì)表面狀態(tài)不敏感而Sc對(duì)表面狀態(tài)敏感性很大。高能強(qiáng)化在低應(yīng)力集中下主要通過提升疲勞抗力系數(shù)Mf強(qiáng)化，而在高應(yīng)力集中條件下主要通過提升理論疲勞極限Sc進(jìn)行強(qiáng)化?；诖?，可考慮在進(jìn)行表面強(qiáng)化時(shí)，針對(duì)低應(yīng)力集中構(gòu)件和高應(yīng)力集中構(gòu)件采取不同的制造方法，以期達(dá)到最優(yōu)的抗疲勞效果。

4 結(jié)論

(1)對(duì)于光滑構(gòu)件或低應(yīng)力集中系數(shù)的構(gòu)件，高能強(qiáng)化主要提高疲勞抗力系數(shù)，而對(duì)于高應(yīng)力集中系數(shù)的構(gòu)件，高能強(qiáng)化主要提高理論疲勞極限。

(2)優(yōu)化機(jī)加工工藝參數(shù)對(duì)提升疲勞性能的作用有限，尤其是對(duì)缺口件作用較小。采用抗疲勞制造工藝方法在缺口根部引入合適的表面強(qiáng)化層，則可大大降低缺口對(duì)疲勞性能不利影響，大幅提升疲勞性能。

(3)通過參數(shù)分析研究疲勞延壽問題，有利于理解構(gòu)件抗疲勞機(jī)理，優(yōu)化抗疲勞制造工藝。

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(責(zé)任編輯：徐永祥)

ANewAnalysisMethodUsingInfluencingFactorsofAnti-fatigueManufactureBasedonFatigueLifeDouble-parameterModel

RAN Gang1，YI Xiaowei1，ZHANG Shichao2，WANG Hong1

(1.Department of Material Science and Engineering，Northwestern Polytechnical University，Xi’an 710071，China;2.AECC Beijing Institute of Aeronautical Materials，Beijing 100095，China)

A new concept of intrinsicS-Ncurve was proposed.Then influencing factors caused by manufacture were introduced based on fatigue life double-parameter model and the effects of influencing factors caused by manufacture onS-Ncurve were discussed.GH4149 was employed to obtainS-Ncurves with different stress concentrations.The specimens had three surface states resulting from different manufacturing processes which are traditional machining process,machining process with surface integrity and advanced surface strengthening technology.The sensitivity of fatigue resistance coefficient(Mf) and theoretical fatigue limit (Sc) toKtwas analyzed.The results show that the fatigue properties of the smooth specimens and notched specimens both are improved after surface strengthening.When the stress concentration is relatively low,the increase of fatigue resistance coefficient(Mf) plays more important role for the improvement of fatigue life after surface strengthening.Nevertheless,the improvement of theoretical fatigue limit (Sc) becomes more and more important with the increase ofKt.Moreover，it is helpful to analyze the changes ofS-Ncurve using influencing factors caused by manufacture for deepening the understanding of anti-fatigue manufacture.

fatigue life model；S-Ncurve；stress concentration；anti-fatigue

10.11868/j.issn.1005-5053.2017.000110

TG146.1+5

A

1005-5053(2017)06-0068-07

2017-06-30；

2017-08-15

973項(xiàng)目資助

冉剛(1984—)，男，研究生，研究方向?yàn)椴牧系钠谂c斷裂， (E-mail)lab302@mail.nwpu.edu.cn。