韓坤鵬，張定華，姚倡鋒,*，譚靚，周征

1. 西北工業(yè)大學(xué) 航空發(fā)動機高性能制造工業(yè)和信息化部重點實驗室，西安 710072 2. 西北工業(yè)大學(xué) 航空發(fā)動機先進制造技術(shù)教育部工程研究中心，西安 710072

航空發(fā)動機是一種高度復(fù)雜和精密的熱力機械，被譽為“工業(yè)皇冠上的明珠”，它直接影響飛機的性能、可靠性及經(jīng)濟性，是一個國家科技、工業(yè)和國防實力的重要體現(xiàn)。隨著我國新型飛機的研制以及軍機數(shù)量的大幅增長和更新?lián)Q代，發(fā)動機的需求也在逐年增加。現(xiàn)有航空發(fā)動機多采用高強度合金作為其主體結(jié)構(gòu)和主承力構(gòu)件，主要涉及發(fā)動機渦輪盤、壓氣機盤、壓氣機葉片、傳統(tǒng)系統(tǒng)軸承等以疲勞為主要失效模式的關(guān)鍵構(gòu)件，它們決定了航空發(fā)動機的性能。據(jù)統(tǒng)計，航空構(gòu)件中疲勞失效占80%以上。因此，航空發(fā)動機構(gòu)件的疲勞性能與航空發(fā)動機的使用壽命息息相關(guān)。

表面完整性是指為保持和提高材料的固有力學(xué)、物理、化學(xué)、生物等使用性能而需使材料表面所具有的不同于基體的特定狀態(tài)和性能[1-2]。表面完整性內(nèi)涵包括表面狀態(tài)和表面性能兩個部分，兩者是相互關(guān)聯(lián)的，表面狀態(tài)決定或影響表面性能，表面性能體現(xiàn)或反映表面狀態(tài)[1]。表面完整性概念自提出以來就受到普遍重視，研究成果得到廣泛應(yīng)用，特別是航空航天等涉及國防安全的領(lǐng)域。大量的試驗研究已經(jīng)表明表面完整性對構(gòu)件疲勞性能有著重要的影響[3-9]。但是，切削加工零件表面存在著各種各樣不可避免的因成形制造帶來的缺陷，如加工刀痕、劃傷、表層組織損傷、夾雜物等，使得零件的表面完整性遠遠不能滿足其設(shè)計要求，需要進一步的表面處理來改善其表面完整性，進而提高零件的服役性能。

常用的表面強化工藝有噴丸、激光噴丸和滾壓強化等，滾壓強化指的是由液壓驅(qū)動的滾壓球(或者滾壓輪)在工件表面進行滾壓加工，使表面產(chǎn)生塑性變形，引起材料表層性能的改變，其原理圖和實物圖如圖1所示，滾壓設(shè)備可以安裝在數(shù)控機床上，通過數(shù)控系統(tǒng)方便的控制滾壓路徑和精度，甚至可實現(xiàn)對復(fù)雜曲面的加工。滾壓強化作為一種表面處理技術(shù)，能夠引入較深的殘余壓應(yīng)力、降低表面粗糙度和在表層形成納米晶等優(yōu)點，這些表面狀態(tài)特征能夠有效降低裂紋萌生和裂紋擴展速率，顯著提高零件的疲勞性能[10-11]。但零件的表層殘余應(yīng)力、顯微硬度等表面狀態(tài)特征在服役過程中是不斷演化的，表層殘余壓應(yīng)力在某些情況下甚至?xí)?，這些改變會顯著影響滾壓強化工藝所帶來的強化效果[12-13]。因此，揭示滾壓強化表面狀態(tài)特征的服役演化機理，對實現(xiàn)表面完整性控制，實現(xiàn)航空發(fā)動機長壽命高可靠具有重要的理論意義。

本文將重點闡述滾壓強化表面狀態(tài)特征的演化及抗疲勞機制的研究現(xiàn)狀，總結(jié)研究中存在的仍然未解決的問題或者亟需要深入研究的問題，以期為滾壓強化的研究和發(fā)展提供方向和思路方面的參考。

圖1 滾壓加工原理圖及實物圖Fig.1 Schematic diagram and physical drawing of deep rolling

1 殘余應(yīng)力演化研究現(xiàn)狀

殘余應(yīng)力是當(dāng)沒有外力作用時，物體維持內(nèi)部平衡存在的應(yīng)力，產(chǎn)生殘余應(yīng)力的原因主要有三種，即不均勻塑性變形、不均勻熱和不均勻相變。滾壓強化工藝能使材料表層產(chǎn)生非均勻塑性變形，導(dǎo)致在不同部位之間出現(xiàn)相對的壓縮或拉伸變形，從而在材料表層引入殘余應(yīng)力場[14]，殘余應(yīng)力場的分布能顯著影響裂紋萌生位置和擴展速率，在熱載荷和機械載荷作用下，材料內(nèi)部會發(fā)生微觀塑性變形，導(dǎo)致殘余應(yīng)力場在零件服役過程中發(fā)生松弛，進而對零件的疲勞性能產(chǎn)生顯著影響。鑒于殘余應(yīng)力場演化的重要影響，國內(nèi)外學(xué)者針對此問題展開了廣泛的研究。

Gill等[15]針對滾壓Ti-6Al-4V以及IMI679在常溫和高溫下的低周疲勞殘余應(yīng)力演化進行了試驗研究，結(jié)果表明殘余應(yīng)力松弛深度在400 μm到500 μm，常溫低周疲勞情況下，殘余應(yīng)力松弛程度小于殘余應(yīng)力峰值的50%，高溫低周疲勞試驗情況下殘余應(yīng)力最大松弛程度可達到峰值殘余應(yīng)力的70%?？梢钥闯?，服役溫度是殘余應(yīng)力演化的關(guān)鍵影響因素，Nikitin和Besel[16]針對奧氏體鋼AISI304做了更為詳細(xì)的研究，他們同樣分析了機械載荷下溫度對殘余應(yīng)力松弛的影響進行了分析，結(jié)果如圖2所示，溫度載荷為600 ℃時，殘余應(yīng)力熱松弛量大約為30%(280 MPa)，在室溫到200 ℃之間，機械載荷引起的松弛量主要依賴于溫度，而溫度在200～600 ℃之間時，機械載荷引起的松弛量依賴于應(yīng)力幅值。此研究結(jié)果可確定特定情況下何種因素對殘余應(yīng)力松弛起到關(guān)鍵作用，從而可通過控制該因素減緩殘余應(yīng)力松弛，達到提高構(gòu)件壽命的目的。

此外，Nikitin和Besel[16]還分析了600 ℃純溫度載荷下以及600 ℃溫度載荷和280 MPa機械載荷共同作用下的殘余應(yīng)力松弛行為，結(jié)果如圖3所示，從兩種情形下的殘余應(yīng)力松弛量可以分析得到純機械循環(huán)載荷下殘余應(yīng)力松弛量。此研究結(jié)果量化了特定情況下熱載荷和機械載荷導(dǎo)致的殘余應(yīng)力松弛量，對實現(xiàn)構(gòu)件服役過程中殘余應(yīng)力松弛量的進一步精確控制十分有利。

圖2 機械載荷下溫度對殘余應(yīng)力松弛的影響[16]Fig.2 Effect of temperature on residual stress relaxation under mechanical load[16]

圖3 機械載荷與溫度載荷對殘余應(yīng)力松弛貢獻量[16]Fig.3 Contribution of mechanical load and temperature load to residual stress relaxation[16]

Nikitin和Besel[16]還研究了殘余應(yīng)力在不同溫度及不同暴露時間下的殘余應(yīng)力演化行為，結(jié)果如圖4(a)所示，溫度200 ℃時，殘余應(yīng)力經(jīng)過100 h才出現(xiàn)松弛；而當(dāng)溫度為600 ℃時，僅1 h殘余應(yīng)力即發(fā)生了松弛。除了上述研究內(nèi)容外，他們還對室溫下應(yīng)力幅值350 MPa時不同循環(huán)周次下的殘余應(yīng)力演化行為進行了分析，即僅考慮機械載荷對殘余應(yīng)力演化行為的影響，結(jié)果如圖4(b)所示，殘余應(yīng)力隨著循環(huán)周次的增加松弛量不斷增加。

圖4 溫度和機械載荷對殘余應(yīng)力松弛的影響[16]Fig.4 Effect of temperature and mechanical load on residual stress relaxation[16]

因此，機械載荷對殘余應(yīng)力演化也有著十分重要的影響，學(xué)者們在這方面也進行了大量的研究，例如，Saalfeld等[17]研究了不同應(yīng)力幅值(R=-1)對滾壓SEA 1045鋼圓棒試樣殘余應(yīng)力演化的影響，結(jié)果如圖5所示，隨著應(yīng)力幅值的增加，殘余應(yīng)力松弛的更快；對于990 MPa應(yīng)力幅值來說，前500個循環(huán)，殘余應(yīng)力迅速減少，在之后的循環(huán)中逐漸完全消失。

圖5 應(yīng)力幅值對殘余應(yīng)力松弛的影響[17]Fig.5 Effect of stress amplitude on residual stress relaxation[17]

Benedetti等[18]對噴丸工藝做了類似的研究，他們對3種噴丸參數(shù)加工的7075-T651 鋁合金薄板反轉(zhuǎn)彎曲疲勞下的殘余應(yīng)力演化開展試驗研究，發(fā)現(xiàn)在低周疲勞下，殘余應(yīng)力在第一循環(huán)發(fā)生明顯松弛，之后趨于穩(wěn)定；在對應(yīng)于5X106循環(huán)壽命的載荷下，即載荷較低的情況下，殘余應(yīng)力一直處于穩(wěn)定狀態(tài)。探求機械載荷對殘余應(yīng)力的影響規(guī)律對控制構(gòu)件的受力，進而控制殘余應(yīng)力松弛量具有重要的理論指導(dǎo)意義。

除了熱載荷和機械載荷對殘余應(yīng)力演化產(chǎn)生影響外，學(xué)者們還發(fā)現(xiàn)了其他一些影響因素。James[19]研究發(fā)現(xiàn)Al2219-T851表面強化處理產(chǎn)生的殘余應(yīng)力沿深度方向的分布梯度變化越大，殘余應(yīng)力松弛速率越快。此研究結(jié)果可為實現(xiàn)更高疲勞性能的殘余應(yīng)力沿深度方向的分布設(shè)計提供理論支撐。Chin等[20]發(fā)現(xiàn)加工工藝引起的硬化程度越高，殘余應(yīng)力松弛率及松弛量越大。此研究表明在改性強化中要控制表層的硬化量，較低的硬化量可減緩殘余應(yīng)松弛，進而有利于提高零件的疲勞壽命。Sano等[21]研究了不同R比對殘余應(yīng)力演化行為的影響，結(jié)果如圖6所示，R比為0.1時，表面殘余應(yīng)力沒有顯著減少，R比為-1時，殘余應(yīng)力在第一循環(huán)顯著減少，然后保持在大約150 MPa直到循環(huán)載荷結(jié)束。研究結(jié)果表明通過控制服役過程中所受載荷的形式可以有效控制殘余應(yīng)力的松弛行為。

圖6 R比對殘余應(yīng)力演化的影響[21]Fig.6 Effect of R ratio on residual stress relaxation[21]

You等[22]通過對缺口和無缺口平板試樣的對比研究發(fā)現(xiàn)缺口能限制殘余應(yīng)力的松弛。此研究成果為殘余應(yīng)力松弛的控制提供了一條新的路徑。

因此，殘余應(yīng)力的演化十分復(fù)雜，其與溫度、應(yīng)力幅值等因素都有著直接的關(guān)系，為實現(xiàn)殘余應(yīng)力在服役載荷下的演化行為的預(yù)測，有些學(xué)者針對不同情形下殘余應(yīng)力的演化建立了相應(yīng)的預(yù)測模型。殘余應(yīng)力在熱載荷下松弛是學(xué)者很早就注意到的現(xiàn)象，通過探索其中的規(guī)律，發(fā)現(xiàn)殘余應(yīng)力在純溫度載荷下的松弛行為符合Zener-Wert-Avrami方程:

(1)

一些學(xué)者針對強化表面在熱載荷作用下的松弛行為的研究發(fā)現(xiàn)試驗數(shù)據(jù)與Zener-Wert-Avrami方程之間的預(yù)測值符合的很好[23-24]。

還有些學(xué)者通過分析殘余應(yīng)力在機械載荷下的松弛行為建立了相應(yīng)的模型。例如，Kodama[25]根據(jù)噴丸試樣表面殘余應(yīng)力演化試驗數(shù)據(jù)建立了殘余應(yīng)力線性對數(shù)衰減模型，模型簡單有效，但此模型只能預(yù)測第一循環(huán)之后的殘余應(yīng)力，其具體表達式為

(2)

Han等[26]對焊接鋼件在循環(huán)載荷下的殘余應(yīng)力演化行為進行了研究，針對不同載荷加載情況建立了殘余應(yīng)力松弛模型:

(3)

式中：σapp為加載應(yīng)力；σy為屈服應(yīng)力。

此模型可對包括第一循環(huán)在內(nèi)的所有循環(huán)周次的殘余應(yīng)力松弛進行預(yù)測，但模型是針對焊接件建立，對其它情形是否適用有待進一步研究，但建模的思路可作為其他情形的參考。

Zhuang和Halford[27]考慮殘余應(yīng)力大小和分布、硬化程度、交變應(yīng)力、平均應(yīng)力的大小以及加載循環(huán)周期數(shù)建立了低塑性滾光加工零件表面殘余應(yīng)力演化經(jīng)驗?zāi)Ｐ停浔磉_式為

(4)

式中：σa為應(yīng)力幅值；R為應(yīng)力比；Cw為硬化量；A2和m2為基于循環(huán)應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)的材料常數(shù)；B為殘余應(yīng)力松弛率。

此模型雖考慮了更多的影響因素，有助于提高模型的適用范圍和預(yù)測精度，但模型僅通過有限元分析數(shù)據(jù)進行了驗證，缺少真實試驗數(shù)據(jù)的驗證，有必要結(jié)合具體試驗數(shù)據(jù)對模型進行進一步的驗證或修正。

另外，一些學(xué)者發(fā)現(xiàn)第一循環(huán)殘余應(yīng)力松弛規(guī)律和機理有別于后續(xù)的循環(huán)周次，殘余應(yīng)力在第一循環(huán)的松弛量有時很難用準(zhǔn)確的公式去精確表達[28-29]，所以有學(xué)者探索了新的方法針對第一循環(huán)的殘余應(yīng)力演化進行建模，例如，Mauduit等[30]研究了噴丸TRIP 780薄板試樣在反轉(zhuǎn)彎曲循環(huán)載荷下的殘余應(yīng)力松弛現(xiàn)象，采用有限元法建立了第一循環(huán)載荷內(nèi)殘余應(yīng)力松弛行為的模型，揭示了殘余應(yīng)力松弛機理。但是，模型雖可以對不同受力情形下的第一循環(huán)殘余應(yīng)力松弛進行預(yù)測，仿真中卻主要考慮了噴丸引入的殘余應(yīng)力，沒有充分考慮噴丸對表層帶來的硬化效果，表層的硬化會對材料的本構(gòu)產(chǎn)生影響，影響仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，因此，此仿真方法還有待進一步完善。

從上述針對殘余應(yīng)力演化行為的試驗研究和預(yù)測建模可以看出，目前針對滾壓強化殘余應(yīng)力演化的研究相對來說比較少，且研究的內(nèi)容基本上都是對強化表面殘余應(yīng)力演化進行研究，很少涉及到不同深度的殘余應(yīng)力的演化，也未見有學(xué)者針對不同深度的殘余應(yīng)力演化建立模型，不同深度的殘余應(yīng)力演化的建模涉及的因素會更多，簡單的經(jīng)驗建模精度很難有保證，需深入研究殘余應(yīng)力松弛的機理，分析不同深度殘余應(yīng)力松弛之間的相互影響，選取合適的理論和方法才能建立有效的針對不同深度的殘余應(yīng)力演化預(yù)測模型。

2 顯微硬度演化研究現(xiàn)狀

顯微硬度是材料抵抗壓入彈塑性變形抗力的一個重要性能，直接反映了材料在加載過程中的應(yīng)力應(yīng)變與卸載后的彈性回復(fù)及塑性壓痕特征，而且在工程中非常便于應(yīng)用，因此在表征表層力學(xué)性能特征時多采用顯微硬度來間接反映表層的強度、塑性和抗彈塑性變形能力[31]。滾壓強化可以使材料表層發(fā)生硬化，使表層硬度提高，并沿深度方向逐漸下降到基體硬度。硬度的提高可以提高零件的耐磨損性能，有益于材料的抗疲勞性能的提高，但材料在服役環(huán)境下，由于力和熱的作用，材料內(nèi)部位錯滑移等現(xiàn)象會對材料的硬度產(chǎn)生影響，使材料硬度不斷發(fā)生變化，對零件的疲勞性能產(chǎn)生影響，目前筆者未發(fā)現(xiàn)有針對滾壓強化硬度演化方面的研究，現(xiàn)就學(xué)者對其他工藝的研究情況進行綜述和分析，為滾壓強化硬度演化的研究提供參考。

Zaroog等[32]研究了噴丸強度為0.005 4A、0.006 7A和0.009A的2024-T351鋁合金薄板在兩種載荷下的疲勞演化行為，結(jié)果如圖7所示，發(fā)現(xiàn)第一循環(huán)后，載荷為15.5 kN時，硬度分別降為176 HV、188 HV和196 HV，而載荷為30 kN時，分別降為170 HV、181 HV和188 HV; 10 000 循環(huán)后，載荷為15.5 kN時，顯微硬度分別降為143 HV、147 HV和155 HV，而載荷為30 kN 時，分別降為137 HV、139 HV和141 HV?？梢钥闯鰴C械載荷的增加會導(dǎo)致顯微硬度下降量的增加。

圖7 不同機械載荷幅值對噴丸顯微硬度的 演化的影響[32]Fig.7 Effect of different mechanical load amplitudes on microhardness evolution of shot peening[32]

Isa等[33]也就機械載荷對顯微硬度的影響問題展開了研究，結(jié)果如圖8所示，他們通過分析噴丸碳鋼狗骨試樣52 MPa(屈服應(yīng)力的20%)和208 MPa(屈服應(yīng)力的80%)循環(huán)載荷下顯微硬度的變化，發(fā)現(xiàn)循環(huán)周次較低時顯微硬度的變化是無序的，隨著循環(huán)周次的增加顯微硬度呈現(xiàn)下降趨勢。

圖8 低循環(huán)周次下顯微硬度的演化[33]Fig.8 Microhardness evolution in low cycles[33]

鐘麗瓊等[34]研究了載荷形式對顯微硬度演化的影響，對比了噴丸和未噴丸TC11拉壓以及拉拉兩種高周疲勞試驗過程中顯微硬度的變化，結(jié)果如圖9所示，拉壓疲勞后，未噴丸試樣表層硬度值沿深度方向呈小幅上升趨勢，噴丸試樣表層硬度沿深度方向出現(xiàn)明顯的梯度降低的現(xiàn)象；拉拉疲勞后，與拉壓疲勞相比，未噴丸試樣和噴丸試樣表層硬度值都有所增加，且未噴丸試樣表層硬度沿深度方向梯度上升趨勢明顯，噴丸試樣表層硬度沿深度方向梯度變化不明顯，但擬合的曲線呈現(xiàn)平緩下降趨勢。

圖9 不同載荷形式對顯微硬度演化的影響[34]Fig.9 Effect of different loading forms on microhardness evolution[34]

Li等[35]研究了械研磨工藝形成的納米層對碳鋼疲勞行為的影響，結(jié)果如圖10所示，顯微硬度相對來說十分穩(wěn)定，只是出現(xiàn)了輕微的軟化。他們指出這一現(xiàn)象與超細(xì)晶材料在循環(huán)低應(yīng)力載荷下初始應(yīng)變能的釋放以及晶粒內(nèi)位錯密度降低、位錯滑移、部分晶界滑移產(chǎn)生的硬度下降是同樣的原理。

圖10 機械研磨工藝顯微硬度的疲勞演化[35]Fig.10 Fatigue evolution of microhardness induced by mechanical attrition treatment[35]

綜上可知，目前不僅很少有學(xué)者對滾壓硬度的演化開展研究，國內(nèi)外學(xué)者對其他工藝，如噴丸、研磨等工藝的顯微硬度在不同載荷及循環(huán)周次下的演化的研究方面也不夠深入，大部分學(xué)者還是僅對演變規(guī)律做了觀測描述，很少見學(xué)者從組織的角度去分析硬度的變化，因此，需要針對組織變化與硬度的變化之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)展開深入研究，揭示顯微硬度的演化機理。

3 微觀組織演化研究現(xiàn)狀

滾壓強化能夠使材料表層發(fā)生塑性變形，增加位錯密度，細(xì)化晶粒，但在服役環(huán)境中，由于熱、力作用，表層組織的形態(tài)大小等都會發(fā)生變化，組織的變化與材料的疲勞性能息息相關(guān)，例如，晶粒細(xì)化可以增加晶界的數(shù)量，而晶界對裂紋的擴展起到一定的阻礙作用。因此，揭示微觀組織的演化機理對提高零件的疲勞性能十分關(guān)鍵。

國內(nèi)外學(xué)者針對疲勞過程中微觀組織演化問題開展了大量研究。有學(xué)者針對微觀組織在高溫下的穩(wěn)定性進行了研究，如Altenberger等[36]使用透射電鏡觀測了AISI 304和Ti-6Al-4V滾壓加工后近表面納米組織在高溫下的變化，結(jié)果如圖11所示， AISI 304的納米組織最高可在600～650 ℃仍然穩(wěn)定，而Ti-6Al-4V的納米組織最高在650 ℃仍然穩(wěn)定，且短時間承受900 ℃的高溫，600 ℃以下保溫5～20 min微觀組織沒有發(fā)生任何可見的變化。由此可見，不同的材料的微觀組織在溫度載荷下的演化有很大差異。另外，更值得說明的是此項研究的出發(fā)點是表面改性引入的表面狀態(tài)和性質(zhì)在服役條件下是否仍然穩(wěn)定，如果表面改性引入的滿足要求的表面狀態(tài)和性質(zhì)在服役條件下很快發(fā)生改變，那么對疲勞壽命的提高作用將微乎其微，這就對表面完整性設(shè)計提出了更高的要求。

圖11 TC4及AISI304滾壓微觀組織的高溫穩(wěn)定性[36]Fig.11 High temperature stability of microstructure of deep rolling TC4 and AISI304[36]

還有學(xué)者針對微觀組織在機械載荷下的演化進行了研究，毛淼東[37]研究了超聲滾壓TC4鈦合金微觀組織的低、高周疲勞演化行為，結(jié)果如圖12所示，應(yīng)變幅處于較低的0.4%水平時，晶粒大小沒有明顯變化，而應(yīng)變幅提高到較高的1.2%時，TC4表面的納米晶粒發(fā)生明顯粗化。

圖12 超聲滾壓TC4微觀組織疲勞演化[37]Fig.12 Fatigue evolution of microstructure in ultrasonic deep rolling TC4[37]

Yan等[38]對熱軋AZ31B鎂合金微觀組織在拉拉疲勞下的疲勞演化進行了研究，結(jié)果如圖13所示，開始時的等軸晶粒在5000循環(huán)時迅速減小，并指出這是由疲勞過程中的動態(tài)再結(jié)晶引起的。此研究揭示了微觀組織在不同階段的演化規(guī)律，微觀組織在整個壽命周期中的演化機理的清晰認(rèn)知對表面完整性設(shè)計、提高構(gòu)件的疲勞壽命具有重要意義。

圖13 AZ31B鎂合金拉拉疲勞過程中的晶粒細(xì)化[38]Fig.13 Grain refinement of AZ31B Magnesium Alloy during tension-tension fatigue[38]

Martin等[39]對正火SAE 1045噴丸后在循環(huán)應(yīng)力載荷下微觀組織的變化進行透射電鏡觀察，發(fā)現(xiàn)在450 MPa高應(yīng)力幅值下變質(zhì)層由于位錯排列的改變導(dǎo)致微觀組織中產(chǎn)生了胞狀結(jié)構(gòu)，在應(yīng)力幅值較低的350 MPa和400 MPa仍然有晶胞結(jié)構(gòu)的形成，但是晶胞結(jié)構(gòu)較分散，而應(yīng)力幅值為300 MPa時無晶胞結(jié)構(gòu)形成。

Altenberger等[40]研究發(fā)現(xiàn)320 MPa機械載荷作用下，AISI304滾壓強化試樣表面微觀組織中的馬氏體成分在疲勞過程中呈現(xiàn)增加的趨勢，而噴丸試樣卻沒有發(fā)生這種現(xiàn)象，如圖14所示，并指出這是由較高的缺陷密度(位錯)引起的。他們還發(fā)現(xiàn)噴丸加工的AISI304試樣形成的位錯晶胞十分分散，并分析得出這是由于AISI304中奧氏體堆垛層錯能較低，需要在較高應(yīng)力幅值下才能出現(xiàn)位錯晶胞結(jié)構(gòu)所造成的。

圖14 滾壓和噴丸組織疲勞過程中馬氏體占比變化[40]Fig.14 Change of martensite proportion in microstructure of deep rolling and shot peening during fatigue process[40]

另外，他們通過分析還發(fā)現(xiàn)同一循環(huán)周次不同深度的組織形態(tài)也不一樣，如圖15[40]所示。值得注意的是研究內(nèi)容涉及到的不同深度微觀組織的演化在其他文獻中很少見到，揭示其演化機理可對表面完整性分層設(shè)計提供理論依據(jù)。

圖15 不同深度組織形態(tài)[40]Fig.15 Morphology of microstructure at different depths[40]

分析機械載荷對微觀組織演化的影響不難發(fā)現(xiàn)，機械載荷下微觀組織演化比較復(fù)雜，不同材料及載荷的大小差異都會對微觀組織在機械載荷作用下的演化產(chǎn)生很大的影響，有時候甚至?xí)霈F(xiàn)完全相反的結(jié)果。

綜合分析溫度和機械載荷對微觀組織疲勞演化的影響可知，目前學(xué)者雖對微觀組織在疲勞過程中的演化進行了研究，但涉及到關(guān)于滾壓強化工藝表層微觀組織的疲勞過程演化規(guī)律的研究還是較少，對滾壓工藝微觀組織疲勞演化規(guī)律的認(rèn)知尚不全面和清晰，比如疲勞過程中織構(gòu)變化、孿晶類型、滑移模式等問題還有待研究。因此，需要針對滾壓強化工藝微觀組織疲勞過程中的演化展開深入的研究，進一步揭示其微觀組織在疲勞過程中的演化機理。

4 表面狀態(tài)抗疲勞機制研究現(xiàn)狀

滾壓強化目前已有一定的應(yīng)用，在提高零件疲勞性能方面成效顯著，弄清楚滾壓強化帶來的殘余壓應(yīng)力層等特征是如何影響零件的性能的以及哪一個特征在哪個階段的影響最為關(guān)鍵對優(yōu)化滾壓強化參數(shù)、進一步提高零件的壽命和可靠性顯得尤為重要。

國內(nèi)外學(xué)者對包括滾壓強化在內(nèi)的不同的表面強化方法進行了積極的研究，Yao等[41]研究了銑削、噴丸和拋光三種工藝的組合加工對TB6鈦合金疲勞性能的影響，發(fā)現(xiàn)疲勞壽命與粗糙度值成反比；噴丸引入的殘余應(yīng)力和硬化層可顯著提高材料疲勞性能，適當(dāng)?shù)慕M合可把裂紋萌生位置從表面轉(zhuǎn)化為表面以下，如圖16所示。

圖16 裂紋從表面下萌生(加工順序：銑削-噴丸-拋光-噴丸)[41]Fig.16 Crack initiation from subsurface (machining sequence: milling-shot peening-polishing-shot peening)[41]

Wu等[42]研究了噴丸強化對GH4169車削試樣疲勞性能的影響，試驗結(jié)果表明噴丸強化以后壽命顯著提高，且同樣發(fā)現(xiàn)噴丸引入的殘余應(yīng)力和表面硬化是壽命提高的關(guān)鍵因素；另外，由于噴丸引入的較高的表面粗糙度對壽命有不利影響，他們還研究了噴丸后拋光對疲勞壽命的影響，發(fā)現(xiàn)拋光以后壽命可進一步提高，從圖17可以分析出壽命提高的原因，由于較低的表面粗糙度，疲勞源由原來的多源起始變?yōu)閱卧雌鹗肌?/p>

圖17 裂紋萌生位置[42]Fig.17 Crack initiation position[42]

以上兩位學(xué)者的研究不同于其它文獻之處在于針對多種工藝的組合加工引起的疲勞失效及抗疲勞機理的改變進行了詳細(xì)的研究，為提高構(gòu)件疲勞性能的加工工藝及加工順序的選擇提供了理論依據(jù)。

另外，不少學(xué)者針對殘余應(yīng)力對抗疲勞機制的影響開展了更為深入的研究，Sun等[43]研究分析了殘余應(yīng)力沿深度的分布對裂紋萌生的影響，如圖18所示，在外載荷超過疲勞極限的位置，裂紋開始萌生，但當(dāng)適宜的加工參數(shù)引入更大的殘余應(yīng)力時，就需要更大的外載荷使裂紋萌生，且使得裂紋萌生位置出現(xiàn)在更深的位置，有效的提高了材料的疲勞性能。

圖18 殘余應(yīng)力分布對裂紋萌生的影響[43]Fig.18 Influence of residual stress distribution on crack initiation[43]

還有學(xué)者進一步分析了殘余應(yīng)力對裂紋擴展的影響[44]，如圖19所示，噴丸工藝引入的殘余應(yīng)力使得材料的疲勞極限增加，裂紋止裂區(qū)域擴大，但噴丸工藝與未噴丸工藝的疲勞極限曲線隨著裂紋長度的增加逐漸收斂到一起，表明當(dāng)裂紋長度較長時，殘余應(yīng)力對裂紋止裂的作用越來越弱。

圖19 殘余應(yīng)力對裂紋擴展的影響[44]Fig.19 Effect of residual stress on crack growth[44]

Galzy等[45]也針對滾壓工藝引入的殘余應(yīng)力對疲勞性能的影響進行了研究，結(jié)果如圖20和21所示，殘余應(yīng)力在第一循環(huán)的松弛使得靠近表面的殘余應(yīng)力變?yōu)槔瓚?yīng)力，不再對阻礙裂紋萌生起作用，另外，當(dāng)裂紋尖端應(yīng)力強度因子超過一定值時裂紋才會擴展，當(dāng)外載荷為5300 Nm時，裂紋會一直擴展，當(dāng)外載荷為4500 Nm時，裂紋擴展到1 mm時將會停止擴展，但當(dāng)裂紋長度擴展到1.5 mm時，過載情況下裂紋將不再停止擴展。

圖20 殘余應(yīng)力的松弛對裂紋萌生的影響[45]Fig.20 Effect of residual stress relaxation on crack initiation[45]

圖21 應(yīng)力強度因子對裂紋擴展的影響[45]Fig.21 Effect of stress intensity factor on crack growth[45]

Nie等[46]研究了TC11鈦合金激光噴丸高周疲勞行為，指出在裂紋萌生階段，由于殘余壓應(yīng)力能夠抵消一部分工作應(yīng)力，阻礙裂紋萌生，提高裂紋萌生壽命；在裂紋擴展階段，殘余壓應(yīng)力能夠降低應(yīng)力強度因子，增加微裂紋閉合力，顯著抑制裂紋的擴展。

他們還分析發(fā)現(xiàn)細(xì)化的晶粒能夠降低晶?；?，阻礙滑移帶的形成，大量晶界可以阻礙裂紋的擴展，特別是高周疲勞后期，隨著殘余應(yīng)力的松弛，微觀組織的改變更是疲勞性能提高的主要因素。Deng等[47]的研究也表明了組織對疲勞性能的重要性，他們對GH4169不同熱處理組織疲勞裂紋擴展進行了研究，經(jīng)過總結(jié)分析，提出了GH4169 裂紋擴展三階段模型，如圖22所示，在第一階段，兩種組織的裂紋均在氧化雜物處萌生并穿晶擴展，在第二階段，直接時效熱處理組織由于晶界氧化物作用表現(xiàn)為沿晶擴展，而特殊熱處理組織，由于晶界δ相的阻礙作用，裂紋呈現(xiàn)穿晶和沿晶混合的擴展方式，第三階段，δ相的作用仍然十分明顯，直接時效熱處理組織為沿晶斷裂且周圍出現(xiàn)很多微裂紋，而特殊熱處理組織的主裂紋以穿晶斷裂方式擴展且周圍沒有小的微裂紋產(chǎn)生。

從現(xiàn)有研究來看，國內(nèi)外學(xué)者關(guān)于表面狀態(tài)抗疲勞機制的研究主要集中在不同載荷下(如不同平均應(yīng)力、不同溫度等)殘余應(yīng)力分布、硬化層、應(yīng)力集中等因素對裂紋源數(shù)量及位置、裂紋萌生和擴展速率等的影響，但鮮有學(xué)者在此研究基礎(chǔ)上考慮表面狀態(tài)特征的耦合影響作用，建立相應(yīng)的疲勞壽命預(yù)測模型，因此，十分有必要針對滾壓強化工藝，研究其對疲勞性能的影響，提取對疲勞壽命有著重要影響的滾壓強化表面狀態(tài)特征，建立疲勞壽命預(yù)測模型。

圖22 裂紋擴展三階段模型[47]Fig.22 Three-stage model of crack growth[47]

5 疲勞壽命預(yù)測研究現(xiàn)狀

疲勞壽命預(yù)測的實現(xiàn)，可以避免產(chǎn)品設(shè)計階段每次設(shè)計出新的結(jié)構(gòu)都要做疲勞試驗，節(jié)約大量的試驗費用，還能為產(chǎn)品的檢修周期、保修時間等提供重要的參考。由于疲勞壽命預(yù)測的重要意義，國內(nèi)外學(xué)者針對疲勞壽命預(yù)測展開了大量的研究。

對于單軸疲勞而言，基于應(yīng)力的壽命預(yù)測方法廣泛應(yīng)用于高周疲勞的預(yù)測，其方程如式(5)所示，此公式通常被稱作Basquin方程：

σa=σ′f(2Nf)b

(5)

式中：σ′f為疲勞強度系數(shù)；b為疲勞強度指數(shù)；Nf為疲勞壽命。

對低周疲勞而言，通常使用基于應(yīng)變的壽命預(yù)測方法，其公式為

(6)

式中：εa為應(yīng)變幅值；εea為彈性應(yīng)變幅值；εpa為塑性應(yīng)變幅值；ε′f為疲勞延性系數(shù)；c為疲勞延性指數(shù)；E為彈性模量。

需要注意的是式(5)和式(6)是在對稱循環(huán)載荷下的疲勞試驗獲得，而真實情況下載荷往往是不對稱的、隨機的，需要對公式進行修正。針對不對稱載荷，即平均應(yīng)力不為0的情形，學(xué)者們提出了不同的解決方案。對于載荷平均應(yīng)力不為0的高周疲勞壽命預(yù)測，比較著名的修正方程有Goodman方程、Gerber方程和Soderberg方程等，其中Goodman方程表達式為

(7)

式中：σ-1為對稱循環(huán)載荷下的疲勞強度；σm為平均應(yīng)力；σu為抗拉強度。

對于載荷平均應(yīng)力不為0的低周疲勞壽命預(yù)測，比較常見的是Smith-Watson-Topper(SWT)方法，其表達式為

(8)

式中：σmax為最大主應(yīng)變平面上的最大拉應(yīng)力。

而對于隨機的變幅載荷通常使用Miner法則對疲勞壽命進行預(yù)測，其假設(shè)材料在疲勞過程中的損傷是線性累計的[48-49]，按照Miner法則，N個循環(huán)造成的損傷

(9)

式中：Ni對應(yīng)某一應(yīng)力水平下的疲勞壽命。

但Miner法則沒有考慮載荷加載的無序性問題[50]，為解決此問題，學(xué)者們提出了一些不同的非線性損傷模型，比如Mesmacque等[51]將第i個水平的累計損傷定義為

(10)

式中：σedi為損傷應(yīng)力，σi為第i個外載荷。

疲勞過程受力比較復(fù)雜，載荷往往是多個方向、多種形式的，對于多軸疲勞壽命，經(jīng)典的預(yù)測方法有Sines準(zhǔn)則、Crossland準(zhǔn)則、Dang Van準(zhǔn)則、Findley準(zhǔn)則、SWT準(zhǔn)則、Fatemi-Socie(FS)準(zhǔn)則等，其中Sines準(zhǔn)則、Crossland準(zhǔn)則、Dang Van準(zhǔn)則、Findley準(zhǔn)則是基于應(yīng)力的疲勞預(yù)測方法，通常應(yīng)用于高周疲勞[52]，而SWT準(zhǔn)則、FS準(zhǔn)則既能應(yīng)用于高周疲勞，也能應(yīng)用于低周疲勞[53]。由于疲勞損傷是個較為復(fù)雜的過程，學(xué)者們針對各自研究的具體情況，不斷提出和應(yīng)用新的壽命預(yù)測方法，比如Kluger[54]提出了一種基于臨界平面法并考慮平均剪應(yīng)力影響的多軸應(yīng)力疲勞預(yù)測模型，模型損傷控制參數(shù)公式為

(11)

采用此模型對2017A-T4 和 6082-T6 鋁合金試樣在常幅值彎曲載荷、扭轉(zhuǎn)載荷及兩者結(jié)合的比例載荷下的疲勞壽命進行了預(yù)測，圖23為2017A-T4鋁合金的預(yù)測結(jié)果，可以看出不同載荷下的疲勞壽命預(yù)測值幾乎全部落在了3倍分散帶內(nèi)。Kluger的模型不同于前人的研究之處在于，由于并不是所有材料對平均剪應(yīng)力都敏感，以往的模型未考慮平均剪應(yīng)力對壽命的影響[55-57]。

吳志榮等[58]借鑒FS準(zhǔn)則和SWT準(zhǔn)則的優(yōu)點提出基于最大剪應(yīng)變幅和最大剪應(yīng)變幅平面上修正SWT參數(shù)的和作為疲勞損傷參數(shù)，具體公式為

(12)

圖23 不同載荷下Kluger模型預(yù)測結(jié)果[54]Fig.23 Prediction results of Kluger’s model under different loads[54]

采用純Ti、BT9鈦合金、304不銹鋼等5種材料的多軸疲勞試驗數(shù)據(jù)對模型進行驗證，結(jié)果表明模型預(yù)測值大部分都落在2倍分散帶內(nèi)，圖24為純Ti和BT9鈦合金的預(yù)測結(jié)果。

圖24 吳志榮模型預(yù)測結(jié)果[58]Fig.24 Prediction results of Wu Zhirong’s model[58]

有些學(xué)者使用基于能量的方法對多軸載荷的疲勞壽命進行了預(yù)測，如Ahmadzadeh和Varvani[59]使用基于臨界面能量的Varvani等3種疲勞損傷模型分別評估了變幅多軸載荷下SS304和Al7050-T7451合金的疲勞壽命，其中Varvani損傷模型具體公式為

(13)

圖25為3種能量模型預(yù)測結(jié)果，可以看出各模型的預(yù)測精度有所差別，但大部分的預(yù)測結(jié)果都在3倍分散帶內(nèi)。

還有學(xué)者針對缺口試樣的疲勞壽命預(yù)測進行了研究，Wu等[60]采用基于關(guān)鍵距離的局部應(yīng)力應(yīng)變方法對TC4帶缺口圓棒試樣的多軸疲勞壽命進行了預(yù)測，方法原理如圖26所示，點方法采用關(guān)鍵點的損傷參數(shù)作為疲勞壽命的計算參數(shù)，線方法采用平均值作為疲勞壽命計算的參數(shù)，所提預(yù)測模型的計算結(jié)果通過比例載荷和非比例載荷下兩種缺口試樣的多軸疲勞試驗的驗證，發(fā)現(xiàn)預(yù)測結(jié)果幾乎都在3倍分散帶內(nèi)。

圖26 關(guān)鍵距離方法[60]Fig.26 Critical distance method[60]

Berto等[61]使用局部應(yīng)變能密度法對帶V型槽的TC4圓棒試樣多軸疲勞壽命進行了研究，結(jié)果如圖27和圖28所示，他們發(fā)現(xiàn)不同的應(yīng)變能計算半徑受載荷形式影響較大，并根據(jù)不同的載荷形式和應(yīng)力比得出了相應(yīng)的應(yīng)變能計算公式，通過實驗發(fā)現(xiàn)模型能夠?qū)Σ煌d荷形式和應(yīng)力比下的缺口試樣疲勞壽命進行有效預(yù)測，預(yù)測結(jié)果均落在了設(shè)計的分散帶內(nèi)。

圖27 不同的計算半徑[61]Fig.27 Different calculation radius[61]

圖28 應(yīng)變能密度法預(yù)測結(jié)果[61]Fig.28 Prediction results of strain energy density method[61]

金丹等[62]采用有限元法和Smith-Watson-Topper法則結(jié)合的方法對非比例載荷下缺口疲勞壽命進行了預(yù)測，結(jié)果表明，大部分預(yù)測值都在2倍的分散帶內(nèi)。

另外，由于疲勞性能參數(shù)需要大量試驗才能獲得，有學(xué)者針對疲勞性能參數(shù)的獲取方式進行了進一步的探索，如Shamsaei和Mckelvey[63]基于材料單向拉伸力學(xué)參數(shù)推導(dǎo)出了其疲勞性能參數(shù)，并使用不同的多軸疲勞模型對16種鋼和高溫合金比例和非比例載荷下的疲勞壽命進行預(yù)測，結(jié)果表明此疲勞計算方法是可行的，且合適的多軸預(yù)測模型的選取也十分重要。

從以上的研究發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)外學(xué)者提出了許多基于應(yīng)力、應(yīng)變或者能量等的疲勞壽命預(yù)測模型，但是很少考慮試樣本身的殘余應(yīng)力等表面狀態(tài)特征對疲勞壽命的影響，滾壓強化會在零件表層產(chǎn)生殘余應(yīng)力等表面狀態(tài)特征，這對零件的疲勞壽命有著十分關(guān)鍵的影響，因此，有必要在目前研究的理論基礎(chǔ)上，探索一種考慮殘余應(yīng)力等表面狀態(tài)特征的疲勞壽命預(yù)測方法。

6 總結(jié)與展望

作為表面機械強化中的一種，滾壓強化具有比噴丸等工藝產(chǎn)生更為優(yōu)異的零件表面特性，在未來的航空航天等領(lǐng)域的應(yīng)用會越來越廣泛。但是為了使零件的表面性能最優(yōu)，實現(xiàn)零件長壽命、高可靠的目的，需要對滾壓強化表面狀態(tài)演化及抗疲勞機理展開深入的研究。通過對國內(nèi)外表面狀態(tài)特征的演化及抗疲勞機理的研究現(xiàn)狀的總結(jié)，得出以下結(jié)論：

1) 目前對不同表面狀態(tài)特征的演化研究都有了一定的基礎(chǔ)，但是都存在一些不足之處。需要針對這些不足之處開展更為深入的研究，探究各表面狀態(tài)特征的演化規(guī)律，揭示各表面狀態(tài)特征的演化機理及內(nèi)在聯(lián)系，為表面完整性的設(shè)計提供理論依據(jù)。

2) 結(jié)合試驗及有限元方法，進一步深入研究各表面狀態(tài)特征及其演化與疲勞性能之間的關(guān)系，建立包含表面狀態(tài)特征的適用于各種服役環(huán)境下的疲勞壽命預(yù)測模型。

3) 表面狀態(tài)演化方面的理論及成果應(yīng)用還比較有限，需充分挖掘其應(yīng)用潛力，以軍帶民，擴展其應(yīng)用領(lǐng)域和層次，提高其應(yīng)用水平。