孫守義，工學(xué)博士，西北工業(yè)大學(xué)力學(xué)與土木建筑學(xué)院副教授，2023年入選陜西省高?？茀f(xié)青年人才托舉計(jì)劃，擔(dān)任Materials期刊（IF：3.748，ISSN 1996-1944）客座編輯，中國航空學(xué)會、中國力學(xué)學(xué)會會員。長期從事結(jié)構(gòu)強(qiáng)度壽命評估與抗疲勞制造研究，先后主持某國家重大課題專題、國家自然科學(xué)基金、博士后科學(xué)基金面上項(xiàng)目等國家和省部級項(xiàng)目，作為骨干人員參與國家重大課題10余項(xiàng)。近年來，在Int J Fatigue、Carbon、Tribol Int、Int J Mech Sci等力學(xué)和機(jī)械頂級期刊發(fā)表論文20余篇，技術(shù)發(fā)明專利受理、授權(quán)10余項(xiàng)。2023年榮獲中國造船工程學(xué)會科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)。

摘 要：超聲滾壓（ultrasonic surface rolling，USR）技術(shù)結(jié)合高能沖擊和靜載滾壓的特點(diǎn)，處理后工件具有表面光潔度高、變形層深、殘余壓應(yīng)力大和晶粒細(xì)化明顯等優(yōu)勢；可通過適當(dāng)?shù)墓に噮?shù)設(shè)計(jì)，極大提高金屬材料的疲勞強(qiáng)度，因而在制造業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。自該技術(shù)應(yīng)用至今，國內(nèi)外學(xué)者做了大量有關(guān)USR工藝及性能方面的研究，并在多種重要金屬材料及關(guān)鍵零部件中應(yīng)用。截至目前，關(guān)于USR工藝參數(shù)對材料表面完整性和疲勞性能的研究，比較零散，缺乏系統(tǒng)總結(jié)。研究首先簡要介紹了USR的工作原理和可控性；然后總結(jié)了不同USR工藝參數(shù)誘導(dǎo)的殘余應(yīng)力和微觀組織，以及殘余應(yīng)力在疲勞加載過程中的釋放規(guī)律；分析了不同工藝USR誘導(dǎo)的表面完整性對疲勞性能的影響及其潛在機(jī)理；闡述了與USR相關(guān)的復(fù)合強(qiáng)化方法的最新進(jìn)展，并展望了USR金屬材料的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：超聲滾壓；疲勞性能；金屬材料；殘余應(yīng)力；微觀組織

中圖分類號：TG113；TG306 ""文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.11776/j.issn.1000-4939.2024.02.002

Research progress on fatigue properties of ultrasonic surface rolled metal materials

Abstract：Ultrasonic surface rolling （USR） technology combines with the characteristics of high-energy impact and static load rolling.The USR-processed workpiece has the advantages of high surface finish，deep deformation layer，large compressive residual stress and obvious grain refinement.It can greatly improve the fatigue strength of metal materials through appropriately adjusting process parameters，thus it has been widely used in manufacturing industry.Since the invention of USR.a large number of studies on processing technologies and mechanisms have been conducted.It is also extensively applied to important metal materials and key parts.So far，the research on the effect of USR process parameters on the surface integrity and fatigue properties is relatively scattered and lacks systematic summary.Firstly，this paper briefly introduces the working principle and controllability of USR.Then，the residual stress and microstructure induced by different USR parameters，and the relaxation of residual stress during fatigue loading are summarized.The effects of surface integrity induced by USR with different parameters on fatigue properties as well as the potential mechanisms are criticized.The combined strengthening methods related to USR are described，and the application prospect of USR metal materials is forecasted.

Key words：ultrasonic surface rolling；fatigue property；metal material；residual stress；microstructure

超聲滾壓（ultrasonic surface rolling，USR）裝置簡單、加工路徑可控、重復(fù)性好，是一種旨在提高金屬部件疲勞性能的新興表面改性技術(shù)。它結(jié)合高能沖擊和靜載滾壓的特點(diǎn)，能通過抑制疲勞裂紋萌生和擴(kuò)展來有效延長材料的疲勞壽命[1-2]。在USR過程中，超聲振動沖擊波誘導(dǎo)金屬靶材表面的嚴(yán)重塑性變形（severe plastic deformation，SPD），使表面產(chǎn)生高幅殘余壓應(yīng)力（compressive residual stress，CRS）、高密度位錯(cuò)和晶粒細(xì)化[3]。由于超聲振動作用，相比于其他的表面強(qiáng)化方法（如激光沖擊、噴丸和傳統(tǒng)滾壓），USR可顯著降低材料的表面粗糙度，并引入更深的CRS，從而賦予構(gòu)件更高的疲勞壽命。據(jù)報(bào)道，靜壓力為380 N的USR在TC4表面產(chǎn)生的CRS幅值相當(dāng)于幅值1364N的傳統(tǒng)滾壓在相同靶材上的作用效果[4]。因此，了解USR的作用原理及運(yùn)行方式對其強(qiáng)化機(jī)制的理解十分關(guān)鍵。

圖1為處理不同幾何尺寸工件的USR設(shè)備及其示意圖。一般而言，USR系統(tǒng)由超聲激振設(shè)備、空氣靜壓設(shè)備、變幅桿、氣缸、變頻器以及滾珠組成。這種布局賦予USR系統(tǒng)幅值可控的靜壓力、超聲激振以及激振頻率，來對常規(guī)棒件[5-6]（圖1a～1b））和板件[7-8]（圖1c～1d）進(jìn)行表面強(qiáng)化。USR裝置的工作原理可以分解為以下幾個(gè)部分：超聲波發(fā)生器先源源不斷地發(fā)出一定頻率的震蕩電波；而后，該振蕩電能被換能器轉(zhuǎn)化為超聲頻的機(jī)械能；再經(jīng)變幅桿的傳遞和放大功能，最終作用到了滾壓頭上，使其以靜壓加載和超聲振動耦合的方式對材料表面進(jìn)行強(qiáng)化。而在實(shí)際操作過程中，滾壓速度和進(jìn)給量則是由試樣夾具通過平移或轉(zhuǎn)動的方式加以調(diào)控。一般而言，滾壓速度指鋼珠的球心相對工件表面運(yùn)動的線速度；進(jìn)給量指在一個(gè)滾壓循環(huán)內(nèi)工件沿垂直于滾壓速度方向前進(jìn)的位移。由圖1可知，就棒狀材料而言，滾壓速度v （mm·min-1）為恒定量，其大小為

v=ωR-h=2πnR－h(huán)（1）

式中：ω為車床主軸的轉(zhuǎn)動角速度，rad·min-1；n為車床主軸的每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)（即：主軸轉(zhuǎn)速），r·min-1；R為棒狀材料橫截面的半徑，mm；h為在滾珠壓力作用下棒材表面的平均下壓量，mm。而進(jìn)給量r（mm）一般以恒定的進(jìn)給速度f （mm·min-1）來表示，即

此時(shí)，滾動壓頭相對于工件表面的運(yùn)動軌跡為空間螺旋狀。當(dāng)滾壓板件材料時(shí)，由于在滾壓終端（圖1d）滾壓速度v需要完成方向的轉(zhuǎn)變，因此v為實(shí)時(shí)變量，且其大小以平均速度表示，即

v=L/t（3）

式中：L為滾壓長度，mm；t為滾珠滾過L過程中消耗的時(shí)間，min。此時(shí)，當(dāng)鋼珠運(yùn)動到滾壓終端時(shí)，由于滾壓速度為0，進(jìn)給量r在瞬間完成。因此滾動壓頭相對于工件表面的運(yùn)動軌跡為平面“之”字形。除了以上兩種常規(guī)尺寸的工件之外，近期LAN等[9]還報(bào)道了一種改裝版的USR系統(tǒng)，用以強(qiáng)化齒輪根部，并使得齒輪疲勞強(qiáng)度提高一倍；其設(shè)備和示意圖可分別見圖1（e）和圖1（f）。

USR利用高能沖擊和靜載滾壓對工件表面進(jìn)行強(qiáng)化，可以顯著改善材料的抗疲勞性能。任學(xué)沖等[10]將USR技術(shù)應(yīng)用到EA4T車軸鋼的加工中，試驗(yàn)結(jié)果顯示表面改性后，材料表面粗糙度從0.92μm降低到0.21μm，微動疲勞壽命提高了近4倍。LIU等[11]對鈦合金進(jìn)行USR強(qiáng)化，發(fā)現(xiàn)其表層產(chǎn)生了100～110μm的α+β晶粒細(xì)化層，疲勞壽命最大提高了34.7倍。YANG等[12]將USR用于高溫合金GH4169的處理，在材料表面引入了高達(dá)1190.2MPa的CRS，使得其疲勞壽命提高了約11倍。毛淼東[13]論證了USR后Ti-6Al-4V合金表面納米晶粒的形成機(jī)制為塑性變形和位錯(cuò)運(yùn)動主導(dǎo)的晶粒細(xì)化過程；且指出該組織以及同時(shí)誘導(dǎo)的高幅值CSR使得應(yīng)力控制和應(yīng)變控制的低周疲勞壽命均有明顯的提升；然而，由于發(fā)熱差異性，未能有效提高其高周疲勞壽命。鄒江河[14]通過優(yōu)化USR工藝參數(shù)，得到了40CrNiMoA鋼最深的表面SPD層（450μm），并使得CRS幅值提高至1251MPa；從而將材料微動疲勞極限提高了66.7%。相反，在王震[15]的研究中卻發(fā)現(xiàn)，過度的USR在試樣中誘導(dǎo)了殘余拉應(yīng)力，導(dǎo)致疲勞過程中內(nèi)部裂紋快速萌生和擴(kuò)展，使得拉壓疲勞性能降低；同時(shí)，該不利的應(yīng)力狀態(tài)結(jié)合扭轉(zhuǎn)剪切應(yīng)力改變了扭轉(zhuǎn)疲勞裂紋萌生模式，導(dǎo)致疲勞扭轉(zhuǎn)過程中裂紋多點(diǎn)萌生，顯著降低扭轉(zhuǎn)疲勞性能。上述研究指出，金屬材料疲勞的USR強(qiáng)化機(jī)制主要?dú)w因于表面形貌、表層微觀組織、殘余應(yīng)力等因素的協(xié)同作用，具體包括以下幾個(gè)方面：①表面粗糙度降低，表面硬度增大，增強(qiáng)了表面抗磨損性能；②表層的位錯(cuò)增殖和組織細(xì)化，提高了滑移變形抗力，抑制了滑移帶的產(chǎn)生；③較大的CRS阻礙了疲勞裂紋的萌生和早期擴(kuò)展，降低了裂紋擴(kuò)展速率。由此可見，USR下表面質(zhì)量變化是提升結(jié)構(gòu)抗疲勞性能的重要原因，是解析材料疲勞USR強(qiáng)化機(jī)制的重要突破點(diǎn)。此外，過度的USR也會對金屬材料疲勞性能產(chǎn)生有害影響。因此，USR工藝參數(shù)的優(yōu)化對疲勞性能的提升意義重大。

USR強(qiáng)化效果與靜壓力、超聲振幅、進(jìn)給量、滾壓次數(shù)等工藝參數(shù)密切相關(guān)，主要體現(xiàn)在強(qiáng)化后CRS、表面粗糙度、微觀硬度、表層微觀組織結(jié)構(gòu)等表面質(zhì)量的差異?，F(xiàn)有關(guān)于工藝參數(shù)對表面質(zhì)量的影響研究表明：靜壓力、振幅對CRS影響顯著，進(jìn)給量對表面粗糙度的影響最大，提高滾壓次數(shù)會增大表面CRS值，且多次滾壓強(qiáng)化后材料的微動疲勞壽命要遠(yuǎn)高于單次強(qiáng)化結(jié)果[13-14]。對于不同的材料，工藝參數(shù)對表面質(zhì)量的影響不盡相同。此外，材料本身的各向異性（如晶體取向）對強(qiáng)化后表層微觀組織結(jié)構(gòu)及殘余應(yīng)力亦有較大的影響[15]。

以往的研究[16-17]主要聚焦USR的表面強(qiáng)化和力學(xué)模型優(yōu)化上，但缺乏對USR材料疲勞行為進(jìn)行系統(tǒng)的綜述。本研究首先總結(jié)了不同工藝參數(shù)USR處理金屬的表面完整性，包括殘余應(yīng)力、表面形貌和微觀組織，以及殘余應(yīng)力在疲勞加載過程中的釋放；其次，綜述了鋼、鈦合金、鋁合金和鎳基高溫合金等材料在不同類型的疲勞加載過程中服役壽命的變化，并分析了不同工藝USR誘導(dǎo)的表面完整性對疲勞性能的影響及其潛在機(jī)理；然后，闡述了與USR相關(guān)的復(fù)合強(qiáng)化方法的最新進(jìn)展；最后，展望了USR金屬材料的應(yīng)用前景，以期為后續(xù)高質(zhì)量和高性能USR金屬材料的開發(fā)設(shè)計(jì)提供借鑒和參考。

1 USR誘導(dǎo)的殘余應(yīng)力

1.1 滾壓參數(shù)對殘余應(yīng)力的影響

USR通過靜態(tài)滾壓和誘導(dǎo)彈塑性應(yīng)力波來產(chǎn)生殘余應(yīng)力，從而導(dǎo)致局部塑性變形。一般情況下，CRS幅值和SPD深度與USR工藝參數(shù)密切相關(guān)，如靜壓力[18]、超聲振動幅值[19]、進(jìn)給量及滾壓速率[20]和滾壓次數(shù)[21-22]等。合理USR參數(shù)引起的CRS是提高材料疲勞壽命的主要原因之一。

1.1.1 靜壓力

靜壓力對CRS分布存在重要影響，引起不同材料表面產(chǎn)生有效CRS的靜壓力范圍也存在差異。例如，LIU等[23]將不同靜壓力的USR應(yīng)用到18CrNiMo7-6鋼，發(fā)現(xiàn)在150～450 N范圍內(nèi)，CRS幅值（700～880 MPa）和影響層深度（1.4～2.0mm）均與靜壓力大小呈正相關(guān)。而在17Cr2Ni2MoVNb合金[24]中，當(dāng)施加600～1200N的靜壓力時(shí)，材料表面才生成了有效CRS。類似的現(xiàn)象也在7075合金（100～300N）[25]中報(bào)道了。

然而，以上結(jié)果僅在一定范圍內(nèi)成立。例如，WANG等[7]研究了不同靜壓力對Ti-6Al-4V合金殘余應(yīng)力的影響，表明隨著靜壓力從900N提高到1200N，CRS幅值呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢，并在1100N處達(dá)到最大值820.1MPa。XU等[26]關(guān)于51CrV4彈簧鋼的試驗(yàn)結(jié)果證明，在398～862N區(qū)間內(nèi)，663N的靜壓力誘導(dǎo)了最高的CRS幅值和最大的影響層深度。而LI等[27]將不同靜壓力下Ti-6Al-4V合金的CRS實(shí)測值與模擬值進(jìn)行對比（圖2），指出應(yīng)力最大值出現(xiàn)在～600MPa處。從上述文獻(xiàn)可知，在一定范圍內(nèi)增大靜壓力會提高CRS幅值和影響層深度；而當(dāng)施加的靜壓力高于引起CRS飽和的閾值時(shí)，其幅值將降低。這與USR過程中，位錯(cuò)的增殖和湮滅密切相關(guān)[27]。

1.1.2 超聲振動幅值

一般而言，超聲振動波的產(chǎn)生和傳導(dǎo)會在靜壓力的作用基礎(chǔ)上，導(dǎo)致材料表面內(nèi)應(yīng)力的重新分布，使得CRS幅值和硬化層深度進(jìn)一步增加[6]。據(jù)報(bào)道，隨著超聲振動幅值從4 μm提高至10 μm，馬氏體不銹鋼滾壓表面的CRS最大值由580 MPa上升至780 MPa[23]。

圖3總結(jié)了不同超聲振動幅值下，12Cr2Ni4A鋼殘余應(yīng)力幅值、硬化層深度和維氏硬度的變化關(guān)系[9]。如圖所示，三者均隨著振動幅值的增加而持續(xù)增加；然而當(dāng)振幅超過3 μm時(shí)，硬化層深度達(dá)到飽和值。另一方面，超聲振動對變形層深度的影響也體現(xiàn)在CRS的峰值位置變化上。LIU等[28]采用彈塑性變形理論對18CrNiMo7-6鋼進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，結(jié)果表明在一定范圍內(nèi)，該深度值（150～210 μm）與超聲振幅（4～10 μm）成正比。而ZHENG等[25]指出，隨著振動幅值的增大，工件表面CRS的峰值位置逐漸向試樣內(nèi)部移動。由此可知，超聲振動能夠?qū)o壓力產(chǎn)生的CRS起增幅作用，且其改善程度隨著振動幅值的增大而增大。

1.1.3 進(jìn)給量和滾壓速率

USR過程中，進(jìn)給量和滾壓速率對試樣表層殘余應(yīng)力的分布同樣存在較大影響。與靜壓力和超聲振動幅值相反，進(jìn)給量和滾壓速率的增加對CRS幅值起削弱作用。圖4給出了進(jìn)給量和滾壓速度對12Cr2Ni4A鋼表面殘余應(yīng)力幅值、硬化層深度和維氏硬度的影響關(guān)系[9]。由圖4（a）可知，隨著進(jìn)給量的增加，CRS和表面硬度有所降低。

這是因?yàn)樵赨SR過程中，軸向滾壓速度由進(jìn)給量決定；當(dāng)進(jìn)給量較大時(shí)，軸向滾壓速度較大，試件軸向單位長度的滾壓次數(shù)降低，試件表層塑性變形減少，導(dǎo)致CRS幅值減小。此外，滾壓速率對上述指標(biāo)也存在一致的影響趨勢（圖4b）。

相同的結(jié)論也在TC4鈦合金中被證實(shí)了[29]。此外，其進(jìn)一步論證了滾壓速率對CRS演變的潛在原因：由于USR壓頭撞擊頻率是固定的，因此壓頭撞擊樣品表面的次數(shù)是恒定的。進(jìn)給量和滾壓速率決定了試樣表面上滾壓方向的連續(xù)性。當(dāng)進(jìn)給量和滾壓速率較大時(shí)，試樣表面的不連續(xù)程度增大，試樣表面的局部位置得不到處理。因此，進(jìn)給量和轉(zhuǎn)速的增大會使粗糙度值增大。進(jìn)而導(dǎo)致試樣的表面塑性變形減弱，由此使得硬度和殘余應(yīng)力減小。然而，相對超聲振動或進(jìn)給量（圖2～3），滾壓速率導(dǎo)致CRS的變化程度不顯著；這表明CRS對滾壓速率相對不敏感。更有甚者，硬化層深度隨進(jìn)給量的變化而保持不變。

1.1.4 滾壓次數(shù)

滾壓次數(shù)直接決定了USR壓頭對材料的下壓深度。整體而言，滾壓次數(shù)越多，下壓深度越大。LIU等[30]采用不同次數(shù)的USR處理了EA4T 車軸鋼，表明單次USR后CRS厚度較薄，約為500μm；當(dāng)滾壓次數(shù)增加到10次時(shí)，CRS厚度達(dá)到1500μm。且在該范圍內(nèi)，表面CRS值和CRS最大值都隨著次數(shù)的增加而增加。圖5為不同滾壓次數(shù)下，Ti-6Al-4V合金表面殘余應(yīng)力分布[31]。

由圖5可知，CRS最大值均出現(xiàn)在亞表面，相比于LIU等[30]CRS的變化趨勢，此研究中表面CRS值卻在單次滾壓處存在飽和現(xiàn)象。該現(xiàn)象是由USR壓頭向下壓實(shí)過程中，材料表面向輥道兩側(cè)擠壓過度的結(jié)果。與此同時(shí)，就17-4PH鋼[32]而言，單次和12次USR處理后CRS最大值分別出現(xiàn)在材料表面和壓表面。這說明了當(dāng)滾壓次數(shù)較少時(shí)，滾壓深度較小，擠壓量較少，對表面CRS的弱化可忽略；而滾壓次數(shù)較多時(shí)，情況則相反，表面CRS損傷隨著滾壓次數(shù)的增加而增加。此外LUO等[33]報(bào)道，當(dāng)塑性變形達(dá)到臨界值時(shí)，甚至處于亞表面的CRS最大值也出現(xiàn)了降低現(xiàn)象。因此，合理的滾壓次數(shù)對CRS的形成以及隨后的疲勞性能都尤為重要。

1.1.5 綜合影響

圖6為風(fēng)電軸承套圈42CrMo鋼棒狀試件在不同位移參數(shù)（轉(zhuǎn)動速度、進(jìn)給速度）下，力值參數(shù)（靜壓力、振幅）對殘余應(yīng)力的影響[34]。

由圖6可知，在試件轉(zhuǎn)動速度和進(jìn)給速度的給定范圍內(nèi)，表面CRS隨著靜壓力的增大而持續(xù)增大，但增速逐漸降低。這說明表面CRS對靜壓力的敏感性存在飽和效應(yīng)。另一方面，在較高的靜壓力作用下，超聲振幅的改變引起的殘余應(yīng)力變化較大；相對而言，當(dāng)靜壓力較低時(shí)，超聲振幅的改變幾乎不引起殘余應(yīng)力變化。這表明靜壓力和振幅對CRS幅值的增效性。

將圖6數(shù)據(jù)進(jìn)行置換，得到該材料在不同力值參數(shù)（靜壓力、振幅）下，位移參數(shù)（轉(zhuǎn)動速度、進(jìn)給速度）對殘余應(yīng)力的影響，如圖7所示[34]。在轉(zhuǎn)動速度過低時(shí)，進(jìn)給速度改變引起的殘余應(yīng)力變化較大；當(dāng)轉(zhuǎn)動速度過高時(shí)，進(jìn)給速度變化對殘余應(yīng)力的影響并不明顯。這表明轉(zhuǎn)動速度與進(jìn)給速度對殘余應(yīng)力值的影響也具有一定的交互作用，兩者的耦合作用調(diào)控了單位時(shí)間的沖擊密度，同時(shí)也對單次沖擊時(shí)各應(yīng)力的分布產(chǎn)生了影響，最終影響體積變形的方向及均勻性，從而對殘余應(yīng)力的大小產(chǎn)生影響。

1.2 疲勞過程中殘余應(yīng)力的釋放

1.2.1 殘余應(yīng)力的釋放規(guī)律

眾所周知，CRS通過抵消疲勞試驗(yàn)中的有效外加應(yīng)力來減輕材料遭受的損傷程度，從而抑制裂紋的萌生和擴(kuò)展。作為代價(jià)，USR誘導(dǎo)的CRS在循環(huán)變形過程中會逐漸耗散或釋放。此外，有研究表明在前期的若干次疲勞循環(huán)中，CSR會發(fā)生較大的釋放，在隨后的疲勞過程中CSR會逐漸趨于穩(wěn)定[13]。而對提高材料疲勞強(qiáng)度有增益效果的CSR是經(jīng)過一定釋放后殘留下來的CSR穩(wěn)定值[13]。影響殘余應(yīng)力釋放過程的因素主要有材料及其微觀結(jié)構(gòu)、材料強(qiáng)度、強(qiáng)化狀態(tài)、加載條件等。

圖8（a）為應(yīng)力水平800MPa下，USR處理17-4PH鋼疲勞前后的表面殘余應(yīng)力[35]。從圖中可知，疲勞試驗(yàn)后，表面CRS明顯降低；超過366MPa因局部塑性而松弛。圖8（b）為疲勞試驗(yàn)前的疲勞壽命與表面CRS曲線，兩者呈正相關(guān)關(guān)系。這意味著當(dāng)CRS越大時(shí)，疲勞抗力越高。且在不同疲勞加載模式下，其壽命提升程度也有所差異。例如相對一次滾壓（圖中USRP-1）而言，三次滾壓（圖中USRP-3）的常規(guī)疲勞（plain fatigue，PF）壽命明顯比微動疲勞（fretting fatigue，F(xiàn)F）壽命高。一方面，由于最大有效應(yīng)力的變化，USRP-3試樣的疲勞裂紋起裂部位離試樣表面的垂直距離變大，使疲勞壽命增加；另一方面，說明USRP-3樣品的微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯的變化，導(dǎo)致了這一結(jié)果。

圖8（c）～（d）分別為USR處理GH4169旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)前后的殘余應(yīng)力分布[36]，和應(yīng)力水平為850 MPa下，USR處理Ti-6Al-4V表面殘余應(yīng)力演化[37]?？梢钥闯?，一次滾壓（圖中USRP-1）和24次滾壓（圖中USRP-24）材料表面CRS沿深度大小在疲勞后整體降低了（圖8c）。這直接說明USR誘導(dǎo)的CRS對材料疲勞壽命的提升是以其幅值耗散為代價(jià)的。而且這種耗散不是一蹴而就的，而是在每次循環(huán)的累積中逐漸疊加的結(jié)果（圖8d）。

1.2.2 殘余應(yīng)力的釋放機(jī)制及釋放模型

超聲滾壓后，合金表面晶粒因發(fā)生大塑性變形而得到細(xì)化。但是，高溫或載荷的作用會使細(xì)晶組織趨于不穩(wěn)定，晶粒尺寸會在這些過程中發(fā)生粗化，細(xì)晶組織的一些增效特性也會因此弱化。WU等[38]將超細(xì)晶的Cu合金在常溫下進(jìn)行疲勞加載，發(fā)現(xiàn)其中少數(shù)晶粒發(fā)生再結(jié)晶現(xiàn)象，并認(rèn)為是塑性變形導(dǎo)致晶粒粗化。同時(shí)，WITNEY等[39]對納米化的單晶Cu進(jìn)行疲勞加載，證明納米晶粒的尺寸在幾十萬個(gè)拉-拉疲勞周次后長大了約30%。晶粒的長大可能是由晶粒的旋轉(zhuǎn)引起亞晶的團(tuán)聚和晶界遷移導(dǎo)致的亞晶粗化相互作用的結(jié)果[40]。此外，分子動力學(xué)模擬和試驗(yàn)還認(rèn)為，形變孿晶的形核也是細(xì)晶組織長大的原因之一[41]。

殘余應(yīng)力釋放行為的模型研究工作主要分為兩類： 溫度引起的殘余應(yīng)力釋放和載荷引起的殘余應(yīng)力釋放[42]。與殘余應(yīng)力熱穩(wěn)定性問題不同，殘余應(yīng)力的載荷穩(wěn)定性問題更加復(fù)雜，因?yàn)橛绊懺撨^程的因素更多。對工程應(yīng)用來說，研究循環(huán)載荷引起的殘余應(yīng)力釋放有更重要的實(shí)際意義。表1列舉了部分殘余應(yīng)力的循環(huán)應(yīng)力釋放模型，包括模型原理、主要公式以及適用條件等。

2 USR表面形貌和表層組織

2.1 表面形貌

一般而言，材料經(jīng)滾壓頭高頻沖擊后，表面產(chǎn)生一定的塑性金屬流動，使微觀形貌上的波峰被擠壓變形填充波谷，從而有效降低材料的表面粗糙度[48]。圖9為不同滾壓次數(shù)Ti-6Al-4V的三維表面形貌和掃描電鏡照片[31]。圖9顯示，原始試樣表面有明顯的機(jī)械拋光缺陷。經(jīng)過一次USR后，R1試樣表面相對光滑致密，具有鏡面特征。試樣表面僅出現(xiàn)少量微撞擊坑，表面粗糙度小于BM試樣。隨著加工次數(shù)的增加，這些凹坑的密度逐漸增大，導(dǎo)致R3和R6試樣的表面粗糙度略高于R1試樣。當(dāng)加工次數(shù)進(jìn)一步增加，由于超聲波的劇烈沖擊和擠壓，一些表面材料被擠壓到輥道兩側(cè)，導(dǎo)致褶皺缺陷和微裂紋的出現(xiàn)。因此，R12樣品的表面粗糙度Ra最高。值得注意的是，所有滾壓試樣的Ra值在0.102～0.163μm之間，明顯低于原始試樣的Ra值（0.397μm）。這是沖擊和擠壓的耦合作用在處理表面引起塑性流動，并使機(jī)械拋光缺陷光滑的結(jié)果。

在USR過程中，硬質(zhì)壓頭始終壓在試樣表面以一定的進(jìn)給速度向前滾動，試樣表面在靜載軋制和高頻超聲振動的協(xié)同作用下發(fā)生塑性變形。從宏觀上看，USR壓頭的擠壓使試樣表面的凸起或凹坑變得平滑，從而達(dá)到平滑的效果。微觀上，塑性變形使位錯(cuò)移動和相交、晶粒細(xì)化，使粗糙度顯著降低。圖10為不同轉(zhuǎn)速滾壓處理Ti-6Al-4V的表面三維形貌和掃描電鏡照片[49]。在不同轉(zhuǎn)速下，試樣的表面完整性略有差異。一般而言，在相同的振動頻率下，主軸轉(zhuǎn)速越慢，硬化點(diǎn)越密集，在同一位置發(fā)生多次硬化，或產(chǎn)生硬化點(diǎn)重合，有利于表面完整性的提高。然而圖10（c）顯示，在較低的轉(zhuǎn)速下，一些深加工軌跡沒有完全填充，這可能與轉(zhuǎn)速過慢造成壓頭在試樣表面過度加工有關(guān)。此時(shí)，樣品的表面粗糙度仍然較高，Ra約為0.165μm。當(dāng)轉(zhuǎn)速增加到200r/min時(shí)，試樣內(nèi)部的微結(jié)構(gòu)單元在試樣表面連續(xù)的復(fù)合載荷作用下不斷發(fā)生塑性變形，試樣表面的切屑加工痕跡幾乎完全去除。表面完整性相對較好，粗糙度最小，如圖10（e）所示。當(dāng)轉(zhuǎn)速繼續(xù)增加到400r/min，則樣品表面會出現(xiàn)新的軋制加工痕跡，甚至可能因加工速度過快而出現(xiàn)裂紋和剝落，粗糙度也略有增加，如圖10（g）所示。分析表明，在高轉(zhuǎn)速下，USR壓頭與試樣的接觸將由單一的滾動摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)闈L動與滑動并存運(yùn)行模式?；瑒幽Σ?xí)黾幽Σ料禂?shù)，容易劃傷樣品表面，對表面質(zhì)量產(chǎn)生負(fù)面影響。

通常來說，USR是一種有效降低表面粗糙度的技術(shù)。然而，當(dāng)USR處理過度時(shí)，材料表面粗糙度甚至?xí)然母?，如圖11所示[50]。由于嚴(yán)重的超聲波沖擊和擠壓，在處理表面上發(fā)現(xiàn)了表面缺陷，包括表面剝層和褶皺缺陷（圖11d）。在USR過程中，一部分表面材料沿著滾壓方向被擠壓到輥道了兩側(cè)，相鄰的表面之間相互重疊并緊密結(jié)合，形成褶皺缺陷。因此，由于表面缺陷的出現(xiàn)，滾壓試樣的Ra值平均值比原始試樣高72.6%。盡管如此，但相對于其他表面改性技術(shù)（如激光沖擊）而言，USR在降低表面粗糙度方面仍存在較大的優(yōu)越性。圖12為不同種類表面工藝處理增材制造AlSi10Mg合金的三維形貌及表面粗糙度[51]。圖中顯示，激光沖擊、USR以及激光沖擊復(fù)合USR分別使得材料Ra值降低了6.5%、63.5%和73.0%。因此，本例表明：USR對材料表面粗糙度的改善程度約為激光沖擊改善程度的10倍；且作者將此歸因于不同工藝對孔隙率的降低程度不同。

2.2 表層組織

USR使得材料作用位置表層發(fā)生相應(yīng)的劇烈塑性變形。隨著連續(xù)的聯(lián)動載荷作用于不同位置的材料表面，其表面內(nèi)部的組織不斷發(fā)生演變，進(jìn)而使晶粒細(xì)化，其細(xì)化程度甚至可達(dá)到納米量級[52-53]。

作為誘導(dǎo)塑性變形的表面改性技術(shù)之一，USR作用于位錯(cuò)密度較低的面心立方（face center cubic，F(xiàn)CC）結(jié)構(gòu)材料時(shí)，可通過在組織中引入缺陷來達(dá)到材料強(qiáng)化對的目的。圖13為不同靜壓力和幅值處理602CA鎳基合金的截面EBSD圖像[54]。圖中顯示滾壓表層組織由最外層的亞微米晶粒層、中間細(xì)晶層和內(nèi)部的過渡影響層組成。KAM圖顯示材料滾壓后，塑性應(yīng)變從外到內(nèi)梯度分布。單獨(dú)將振動幅值增加到20μm時(shí)，過渡影響層、細(xì)晶層和亞微米晶粒層也分別增加到320、120、50μm。而單獨(dú)將靜壓力增加到50N時(shí)，樣品的總影響深度為400μm，該厚度明顯大于單獨(dú)增加振動幅值的情形。因此，靜壓力增加到50N比振動幅值增加到20μm對該材料滾壓效果的影響更大。此外，WANG等[55]在滾壓AISI 304奧氏體不銹鋼時(shí)，對材料通上了交流電，研究了交流電頻率對材料組織的影響。其結(jié)果表明，除了細(xì)晶強(qiáng)化和位錯(cuò)強(qiáng)化外，形變誘導(dǎo)馬氏體相變，F(xiàn)CC到體心立方（body center cubic，BCC）結(jié)構(gòu)，同樣為材料表面的硬化和強(qiáng)化做出了較大的貢獻(xiàn)，也是不容忽視的表面強(qiáng)化機(jī)制之一。

而當(dāng)滾壓受體材料為內(nèi)部晶界系統(tǒng)復(fù)雜、位錯(cuò)密度本身就較高的BCC結(jié)構(gòu)時(shí)，細(xì)晶強(qiáng)化便不是材料強(qiáng)化的主導(dǎo)因素了。此時(shí)，內(nèi)部組織形貌將自發(fā)演變甚至長大來容納塑性應(yīng)變，從使得應(yīng)變能最小化，進(jìn)而將整體穩(wěn)定化。圖14為5組不同靜壓力下C53鋼試樣的表面金相組織，均主要為回火馬氏體結(jié)構(gòu)[56]。從圖14（a）～（e）可看到試樣表面組織呈現(xiàn)了明顯的從先細(xì)化到再長大的過程，其中未加工試樣微觀組織較粗長，呈“粗條狀”；在400N和600N下，試樣組織較細(xì)密；當(dāng)靜壓力超過600 N時(shí)，可觀察到針狀馬氏體開始變長；在靜壓力1000N下，試樣晶粒與未加工試樣的粒徑相近，但形狀相對細(xì)長。

另一方面，相對于傳統(tǒng)的塑性變形技術(shù)（如噴丸），USR在位錯(cuò)增殖、細(xì)化第二相粒子和孿晶形核方面存在較大的優(yōu)勢。圖15為17Cr2Ni2MoVNb鋼的在不同表面處理后的TEM顯微結(jié)構(gòu)[57]；材料原始組織為碳化物、貝氏體鐵素體和殘余奧氏體等典型多相組織。對比圖15（b）和15（c）可知，超聲沖擊波可將碳化物細(xì)進(jìn)行有效細(xì)化；該細(xì)小顆?？赏ㄟ^釘扎位錯(cuò)等方式，提升材料的疲勞強(qiáng)度。此外WANG等[58]證實(shí)，超聲沖擊波對碳化物的細(xì)化過程是通過塑性變形和高應(yīng)變速率逐步累積的，可以有效避免過大的瞬時(shí)荷載在碳化物分裂時(shí)二次裂紋的萌生和形核。并且，在合適的超聲載荷和頻率作用下，可以激活更多的位錯(cuò)細(xì)胞和位錯(cuò)纏結(jié)，使得表面力學(xué)性能增強(qiáng)。

3 USR金屬疲勞及強(qiáng)化機(jī)制

通常來說，USR強(qiáng)化材料的疲勞性能提升程度主要由上述討論過的3個(gè)因素（CRS分布、表面粗糙度和表層組織）共同決定。此三者間是相互影響、對立統(tǒng)一的[59]。表層組織的演變必然伴隨有表面粗糙度和CRS的變化[60]。然而，對于不同的疲勞模式和加載形式，三者的主導(dǎo)地位有所差異。例如高溫環(huán)境中，在循環(huán)變形前期，CRS對疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展有較大的抑制作用；但當(dāng)循環(huán)變形進(jìn)入后期，由于CRS的熱釋放效應(yīng)，其將失去主導(dǎo)作用[61]。

3.1 單軸拉壓疲勞

單軸拉壓疲勞是最常見的疲勞破壞形式之一。因此，采用USR對材料進(jìn)行強(qiáng)化對于工程結(jié)構(gòu)的壽命延長具有重要意義。到目前為止，就不銹鋼[62]、鋁合金[63]、鎂合金[64]、鈦合金[65]、鎳基單晶[66]和多晶合金[67]等金屬材料而言，USR被認(rèn)為是延長其疲勞壽命的有效手段之一。在USR處理下，EA4T車軸鋼的疲勞極限從～330MPa提升到了～480MPa（圖16a）[5]；該作者將此種變化歸因于SPD層（深度150μm）內(nèi)的梯度分布的晶粒尺寸以及顯著增大的顯微硬度和平均局部取向差；此外，通過有限元計(jì)算的方式，他們模擬了SPD層中沿深度方向的變形程度，證明了幅值位于亞表層（深度45μm）的等效塑性應(yīng)變梯度也是提高疲勞行為的原因之一。當(dāng)然，滾壓參數(shù)也并不是越大越好；圖16（b）顯示了不同USR參數(shù)對EA4T疲勞壽命的影響[5]。可以明顯發(fā)現(xiàn)，平均疲勞壽命分別在靜壓力620N和進(jìn)給量0.1mm處達(dá)到最小值，在旋轉(zhuǎn)滾壓速度在90s-1處達(dá)到最大值；并隨著振動幅值的增加而減小。這是因?yàn)檩^小的USR參數(shù)不能使表面產(chǎn)生足夠的塑性應(yīng)變，不能得到飽和的CSR值；而過大的USR參數(shù)會使表面裂紋形核（如圖11d中表面起鱗），增大應(yīng)力集中因子[36]。相反，如若滾壓參數(shù)超過一定范圍時(shí)，USR甚至?xí)档筒牧系母咧芷谛阅?。彭翔[67]引入反常疲勞極限尺寸效應(yīng)理論，有效論證了鎳基高溫合金Inconel718疲勞性能惡化的主要原因?yàn)檫^度的USR造成晶粒尺寸的不均勻分布和高密度的高角度晶界；大晶粒內(nèi)部形變孿晶與基體間較高的彈性不相容應(yīng)力導(dǎo)致孿晶界面附近應(yīng)變局部化，形成駐留滑移帶，進(jìn)而促進(jìn)微裂紋萌生。

綜上所述，探尋最佳的處理參數(shù)就成為了眾多研究者的重要課題之一。

3.2 彎曲扭轉(zhuǎn)疲勞

航空發(fā)動機(jī)渦輪葉片和壓氣機(jī)葉片由于飛機(jī)在起飛、飛行和降落過程中產(chǎn)生的高頻振動，可能會提前發(fā)生彎扭和振動疲勞故障。因此，可采用USR來改善航空關(guān)鍵部件材料的彎扭振動疲勞性能。LIU等[50]初步研究了USR處理Ti-6Al-4V的彎曲疲勞性能，發(fā)現(xiàn)在特定試驗(yàn)條件下，試樣的疲勞強(qiáng)度由495MPa提高至602MPa，并將其歸因于表層納米結(jié)構(gòu)和高幅CRS對疲勞前期裂紋萌生的抑制效應(yīng)。隨后在其另一項(xiàng)工作中，通過疲勞試驗(yàn)優(yōu)化了滾壓次數(shù)對航空葉片彎曲性能的強(qiáng)化效果。將葉片的疲勞極限進(jìn)一步提高到近700MPa，如圖17（a）所示[31]。而表面微損傷造成的粗糙度增加和表面CRS幅值降低被認(rèn)為是重復(fù)滾壓疲勞強(qiáng)化效果相對降低的主要原因。同時(shí)，具有密排六方結(jié)構(gòu)的α晶粒具有相對較少的滑移系統(tǒng)；因此，其中一些α晶粒在經(jīng)歷SPD時(shí)會以產(chǎn)生形變孿晶的形式容納過多的塑性應(yīng)變。此時(shí)，位錯(cuò)與孿晶界的相互作用有助于分割原始晶粒，從而達(dá)到晶粒細(xì)化的目的，抑制疲勞裂紋萌生和擴(kuò)展。類似的機(jī)制也在預(yù)腐蝕7A52鋁合金[68]、熱處理TC4樣品[29]和AISI 304不銹鋼[69]中觀察到了。

PANG等[49]分析了不同滾壓速度對扭轉(zhuǎn)疲勞的影響，結(jié)果如圖17（b）所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，在大多數(shù)情況下，USR葉片的疲勞壽命比原始葉片提高了1個(gè)數(shù)量級以上。然而，其提升程度并不是與滾壓速度成正比，而是在200r/min處達(dá)到峰值。當(dāng)滾壓速度進(jìn)一步增大時(shí)，強(qiáng)化層厚度增加；當(dāng)位錯(cuò)密度達(dá)到極限值時(shí)，晶粒結(jié)構(gòu)在亞晶界處發(fā)生纏結(jié)和融合，最終使晶粒尺寸增大；因而使得循環(huán)過程中疲勞裂紋源的過渡內(nèi)遷，致使擴(kuò)展速度加快，從而使得相對壽命降低。

另有報(bào)道稱，在滾壓之前對45CrNiMoVA高強(qiáng)鋼進(jìn)行扭轉(zhuǎn)預(yù)變形可增加USR對材料疲勞壽命的提升程度（圖17c）[70]。這是因?yàn)榕まD(zhuǎn)預(yù)變形過程使試樣表面的馬氏體組織向扭轉(zhuǎn)方向偏轉(zhuǎn)，大大增加了位錯(cuò)密度，提高了材料的剪切屈服強(qiáng)度。而隨后的USR過程會使試樣表面微觀組織沿滾壓方向產(chǎn)生塑性流動，表面塑性變形更為明顯，可以放大USR工藝對表面的塑性效應(yīng)。

3.3 微動疲勞

微動疲勞是兩個(gè)接觸體同時(shí)承受循環(huán)載荷和微幅切向相對運(yùn)動而產(chǎn)生損傷的現(xiàn)象。微動作用不僅會加速承載構(gòu)件表面質(zhì)量的惡化，而且還會促進(jìn)疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展，導(dǎo)致材料的疲勞抗力比常規(guī)疲勞作用時(shí)降低50%～70%[71]。為了提高抗微動疲勞性能，可采用USR誘導(dǎo)接觸表面下的CRS來提高材料的疲勞強(qiáng)度，并改善試樣的接觸面質(zhì)量，抑制裂紋的萌生，以期達(dá)到微動條件下的延壽目的。

圖18（a）為不同滾壓次數(shù)USR處理17-4PH鋼微動疲勞和常規(guī)疲勞壽命的比較[35]。從圖中易知，該材料的微動疲勞壽命遠(yuǎn)小于常規(guī)疲勞壽命，這是因?yàn)閴|塊前緣在試樣表面造成了較大的應(yīng)力集中，降低了裂紋開動所需的能量閾值。此外除了CRS和硬化層外，USR在3次滾壓樣品表面誘導(dǎo)了明顯的魚鱗狀形貌，可以通過吸收微動接觸區(qū)的摩擦能，減輕疲勞過程中的表面微動損傷。

FAN等[72]研究了Ti-6Al-4V合金USR前后的微動疲勞裂紋擴(kuò)展行為，如圖18（b）所示。該研究表明微動裂紋主要起始磨損區(qū)和無磨損區(qū)的交點(diǎn)處，然后傾向磨損區(qū)進(jìn)行擴(kuò)展。因此，USR引起的CSR場主要對疲勞早期擴(kuò)展行為存在抑制作用，而對裂紋萌生行為影響不大。根據(jù)最大滑移幅值準(zhǔn)則和最大耗散能準(zhǔn)則，他們通過有限元方法成功地預(yù)測了微動裂紋萌生位置和擴(kuò)展方向。

在不同滾壓次數(shù)的作用下，AO等[73]強(qiáng)調(diào)無序狀的梯度納米β/α-Ti結(jié)構(gòu)在延遲了微動疲勞裂紋的萌生和早期擴(kuò)展方面存在較大優(yōu)越性（圖18c）。而在重復(fù)滾壓后，由于無序狀結(jié)構(gòu)的破壞以及由此導(dǎo)致的CRS釋放，微動疲勞壽命降低。然而，17-4PH鋼[32]的試驗(yàn)結(jié)果卻表現(xiàn)出相反的趨勢，即疲勞壽命隨滾壓次數(shù)的增加而增加（圖18d）。這是因?yàn)槎邭堄鄳?yīng)力相近，但重復(fù)滾壓導(dǎo)致試樣表面魚鱗狀形貌明顯，起到了“間隔效應(yīng)”，減少了樣品表面與墊塊之間的實(shí)際接觸面積，減輕了表面損傷。CRS能顯著降低裂紋張開位移和臨界應(yīng)力值，是影響材料微動疲勞行為的主要因素。然而，表面形貌，硬化層組織對疲勞性能的提升也存在較大影響。

3.4 腐蝕疲勞

腐蝕疲勞裂紋是工程應(yīng)用中影響金屬構(gòu)件的常見問題。此時(shí)，裂紋萌生是由循環(huán)應(yīng)變和腐蝕環(huán)境的耦合作用引發(fā)的，而裂紋擴(kuò)展主要以沿晶和穿晶兩種方式發(fā)生[74]。在腐蝕疲勞過程中，腐蝕作用造成材料損失和應(yīng)力集中，為疲勞裂紋的形核創(chuàng)造了良好的條件，因此疲勞裂紋總是在腐蝕坑處開動，導(dǎo)致疲勞壽命的縮短。一些研究表明，USR誘導(dǎo)的表面CRS場和晶粒細(xì)化可以通過降低腐蝕介質(zhì)對試樣表面的腐蝕速率，提高材料腐蝕疲勞性能[75-78]。據(jù)報(bào)道，USR可使TC11合金的熱腐蝕疲勞極限提高10.26%[75]。

在相同試驗(yàn)條件下，USR對300M超強(qiáng)鋼腐蝕疲勞壽命的提升程度為對其微動疲勞提升程度的6倍[76]。這是因?yàn)閁SRP可以通過產(chǎn)生具有均勻電化學(xué)活性的樣品表面來減少表面缺陷，降低腐蝕坑的形成速率；一旦循環(huán)荷載使得疲勞微裂紋在腐蝕坑處形核，則在亞表面位置的高幅值CRS可以起到修復(fù)微裂紋、阻礙其進(jìn)一步深入的作用。由于微動疲勞和腐蝕疲勞的失效機(jī)制不同；微動疲勞比腐蝕疲勞更容易損傷USR處理樣品的表面，釋放表面殘余應(yīng)力。因此，與微動疲勞壽命相比，USR處理對腐蝕疲勞壽命的改善更為明顯。此外，對USR處理前后7B50-T7751鋁合金的腐蝕疲勞試驗(yàn)表明，CRS和晶粒梯度結(jié)構(gòu)可同時(shí)通過提高NaCl向材料內(nèi)部的擴(kuò)散阻力和材料疲勞強(qiáng)度系數(shù)及指數(shù)，達(dá)到減緩腐蝕坑的形成和抑制腐蝕疲勞裂紋萌生以及早期擴(kuò)展的目的，使得腐蝕疲勞強(qiáng)度提高117%[77]。LI等[78]對比了USR處理前后EA4T車軸鋼的常規(guī)疲勞和雨水環(huán)境下的腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)展行為，發(fā)現(xiàn)相對于常規(guī)疲勞，USR對材料腐蝕疲勞的提升程度大得多（圖19a）；腐蝕裂紋的擴(kuò)展速率對應(yīng)力水平較為敏感（圖19b～c）。當(dāng)常規(guī)疲勞加載時(shí)，USR超細(xì)晶粒保持不變，位錯(cuò)結(jié)構(gòu)略有湮滅（圖19d）。軸向CRS也出現(xiàn)了輕度下降。當(dāng)腐蝕疲勞加載時(shí)，試件表面形成的密集腐蝕裂紋。裂紋的擴(kuò)展導(dǎo)致位錯(cuò)組織的強(qiáng)烈湮滅和軸向CRS的快速松弛。由于腐蝕侵蝕，表面甚至存在局部的殘余拉應(yīng)力。

3.5 滾動接觸疲勞

滾動接觸疲勞失效是一種涉及軸承、軋輥和輪箍等滾動接觸零件的典型失效模式[24]。滾動接觸疲勞損傷受多種因素的影響，包括潤滑條件、表面粗糙度、材料力學(xué)性能等因素[55]。GAO等[79]指出，USR工藝可通過抑制麻點(diǎn)剝落和裂紋擴(kuò)展，提高Cr4Mo4V軸承鋼的滾動接觸疲勞壽命。LIU等[80]補(bǔ)充道，在USR激光熔覆Ti6Al4V合金的SPD層中，針狀α相和β納米組織交錯(cuò)分布，能夠有效的調(diào)控滾動接觸疲勞時(shí)裂紋的萌生和擴(kuò)展方式。ZHANG等[24]證實(shí)表面光潔度的提高也會影響試樣與磨球之間的潤滑狀況；滾壓后界面接觸條件由邊界接觸變化為混合接觸，有效降低了應(yīng)力集中和抑制了裂紋形核。

隨著靜壓力或振動電流（控制超聲振幅）的增大，G20Cr2Ni4A鋼的滾動接觸疲勞壽命顯著提升（圖20a）。一方面，靜壓力和超聲振幅對CSR的增效性使得CSR幅值大大提高（如1.1.5節(jié)所論述）。另一方面，較大的靜壓力可將應(yīng)力集中點(diǎn)送入更深的位置，增加其裂紋起始的難度；而較高的振動幅值可防止裂紋向外擴(kuò)散導(dǎo)致的表層剝落和材料損失[81]。不同的是，LIU等[82]指出D2鋼中硬度相對較大的珠光體與共析滲碳體之間存在塑性變形不協(xié)調(diào)，使得滾動接觸疲勞裂紋主要在共析滲碳體內(nèi)部傳播。此時(shí)，過大的靜壓力會導(dǎo)致兩相界面發(fā)生應(yīng)力集中，為循環(huán)加載過程中二次裂紋的萌生提供初始條件，使得其壽命明顯降低（圖20b）。QU等[83]研究了滾壓過程中，不同潤滑劑黏度對25CrNi2MoV鋼滾動接觸疲勞壽命的影響（圖20c），發(fā)現(xiàn)USR處理改變了樣品表面主要的滾動接觸破壞模式。對于未經(jīng)處理的樣品，主要的表面破壞模式是深度剝落破壞；USR處理后，以淺深度分層破壞為主；隨著潤滑油黏度的增加，點(diǎn)蝕破壞程度和破壞深度逐漸增大。此外相對于噴丸（SP）來說，由于表面粗糙度差異，USR在提升滾動接觸疲勞方面也存在一定優(yōu)勢。在這種情況下噴丸試樣的滾動接觸疲勞裂紋以小角度擴(kuò)展，小角度更容易弱化塑性變形對材料的壽命的提升（圖20d）[84]。綜上所述，就USR對金屬材料的滾動接觸疲勞性能提升方面，更多的研究需要著力于USR參數(shù)優(yōu)化和滾動接觸疲勞斷裂失效機(jī)理研究。最后，表2總結(jié)了目前已有的一些USR對金屬材料疲勞性能的影響，包括疲勞類型、材料種類、尺寸、USR加工參數(shù)、加載條件和性能變化等信息；以期為USR金屬疲勞研究方面，提供直觀的參考。

4 復(fù)合強(qiáng)化

近年來，在傳統(tǒng)USR的基礎(chǔ)上，報(bào)道了大量的USR的輔助手段，以及USR與其他塑性變形工藝相結(jié)合的復(fù)合強(qiáng)化策略。目前，這些手段主要包括電脈沖輔助USR、熱輔助USR、USR與表面滲碳/噴丸、銑削相結(jié)合的復(fù)合工藝等。相比于傳統(tǒng)USR，這些工藝優(yōu)化在表面組織改性、表面硬化和疲勞壽命提升方面存在一定的優(yōu)勢。例如，電脈沖在金屬材料塑性加工中的應(yīng)用：由于電脈沖加速相變、位錯(cuò)遷移率和原子擴(kuò)散加劇，材料的加工硬化和缺陷數(shù)量顯著減少，可以降低變形抗力，并顯著提高零件的表面質(zhì)量[85]。而噴丸與USR相結(jié)合則可實(shí)現(xiàn)二者的優(yōu)勢互補(bǔ)（在降低表面粗糙度的同時(shí)提供高幅值CSR梯度）。因此本節(jié)主要總結(jié)了以上提及與USR聯(lián)用的工藝，以及其對材料變形機(jī)制和機(jī)械性能的影響。表3總結(jié)了與USR相關(guān)的復(fù)合強(qiáng)化優(yōu)缺點(diǎn)以及性能變化，以期為USR復(fù)合強(qiáng)化研究方面，提供較為直觀的參考。

4.1 電脈沖輔助USR

圖21（a，b）分別為桿件曲面和圓盤平面的電脈沖輔助USR工藝設(shè)置示意圖[85-86]。圖21（a）的電流結(jié)構(gòu)為單獨(dú)在滾壓靶材上通電，而圖21（b）為在刀具和靶材之間建立了電流循環(huán)，他們都能在USR過程中為材料提供有效電流。XIE等[86]比較了傳統(tǒng)USR和電脈沖輔助USR處理CrMnFeCoNi高熵合金的塑性變形機(jī)制，發(fā)現(xiàn)孿晶強(qiáng)化和位錯(cuò)強(qiáng)化分別在二者中占主導(dǎo)地位。后者相對前者的機(jī)制轉(zhuǎn)化可歸因于以下兩點(diǎn)：① 電脈沖作用可誘導(dǎo)瞬時(shí)高溫和電塑性的產(chǎn)生，瞬時(shí)高溫減小了層錯(cuò)寬度，增加了層錯(cuò)能；導(dǎo)致塑性變形以位錯(cuò)滑移的形式進(jìn)行，并抑制孿生現(xiàn)象；②電子的定向運(yùn)動為位錯(cuò)提供了額外的驅(qū)動力，從而促進(jìn)位錯(cuò)的定向排列，促進(jìn)了位錯(cuò)增殖，進(jìn)而形成位錯(cuò)墻。

而其他學(xué)者[85-87]則認(rèn)為電脈沖同時(shí)具有熱效應(yīng)和非熱效應(yīng)，均都對位錯(cuò)遷移率和原子擴(kuò)散有積極影響。由于克服了遷移能壘，熱效應(yīng)產(chǎn)生的一定溫度可以提供活化能，促進(jìn)位錯(cuò)遷移和原子擴(kuò)散。在非熱效應(yīng)方面，已有研究表明晶體缺陷的形成始于其電子結(jié)構(gòu)的畸變，固體中電子密度分布的明顯畸變使塑性變形更容易發(fā)展[88]。當(dāng)電脈沖作用于金屬材料時(shí)，金屬內(nèi)部電子與外電場之間的強(qiáng)迫振蕩效應(yīng)相互作用，最終會導(dǎo)致試樣內(nèi)部電子結(jié)構(gòu)發(fā)生嚴(yán)重的瞬時(shí)畸變[89-90]。因此，強(qiáng)化電流密度或提高電流頻率可以顯著提高位錯(cuò)的遷移率，大大增強(qiáng)金屬材料的塑性變形能力和疲勞壽命（圖21c～f）。

4.2 熱輔助USR

對于鈦合金和高強(qiáng)鋼等在室溫下產(chǎn)生塑性變形較為困難的材料而言，提高加工溫度是降低塑性變形抗力的最佳選擇之一[91]。在USR過程中，熱輔助可以誘發(fā)動態(tài)應(yīng)變時(shí)效和動態(tài)沉淀作用，從而形成了高密度的位錯(cuò)和“位錯(cuò)釘扎”效應(yīng)，可大大提高CRS的穩(wěn)定性[92]。LIU等[91]在對Ti6Al4V合金進(jìn)行滾壓的同時(shí)，采用配備U型感應(yīng)線圈的高頻感應(yīng)加熱電源對樣品進(jìn)行加熱（圖22a～b）；發(fā)現(xiàn)隨著滾壓溫度的升高，材料表面的空隙逐漸消失，使得材料的疲勞性能逐步提高（圖22c）。LUAN等[92]則認(rèn)為熱驅(qū)動和高應(yīng)變率使得原子擴(kuò)散劇烈，引起的塑性變形相對傳統(tǒng)USR較大；同時(shí)，在熱環(huán)境中更難以恢復(fù)變形和釋放應(yīng)力，使得CRS趨于穩(wěn)定。相反，LUO等[93]研究了低溫耦合USR對Ti6Al4V合金的影響，結(jié)果表明低溫處理將USR試樣內(nèi)的β相含量降低3%。由于α相為密排六方結(jié)構(gòu)，滑移系較少，而β相為體心立方結(jié)構(gòu)，滑移系較多。相對于體心立方結(jié)構(gòu)，密排六方結(jié)構(gòu)中形成的位錯(cuò)不易滑移。因此，使得其表面硬度和疲勞強(qiáng)度顯著提高（圖22d）。綜上可知，在熱輔助USR過程中，不同溫度對USR處理材料的作用機(jī)理不同，其性能變化程度也有所差異。

4.3 與其他工藝復(fù)合

USR具有較優(yōu)良的融合性，可與其他工藝復(fù)合使用，并表現(xiàn)出更為良好的疲勞強(qiáng)度和耐磨性能。其中，WANG等[94]將滲碳復(fù)合USR工藝應(yīng)用到了20CrMoH鋼上，研究了不同靜壓力對滲碳鋼彎曲疲勞行為的影響。結(jié)果顯示滲碳后，材料的疲勞極限提高29%；隨著滾壓靜壓力的增加，疲勞極限進(jìn)一步提高（圖23a）。作者認(rèn)為滲碳復(fù)合USR產(chǎn)生的高幅值CRS和顯微硬度造成了該強(qiáng)化。類似的現(xiàn)象也在文獻(xiàn)[95]中發(fā)現(xiàn)了；其將滲碳后的材料強(qiáng)化歸因于應(yīng)變誘導(dǎo)馬氏體相變和碳原子的固溶強(qiáng)化，而將滲碳復(fù)合USR后的材料強(qiáng)化歸因于位錯(cuò)強(qiáng)化和應(yīng)力強(qiáng)化。

除了滲碳外，USR還可與其他嚴(yán)重惡化表面粗糙度的工藝復(fù)合使用，可實(shí)現(xiàn)在降低表面粗糙度的同時(shí)提供高幅值CSR梯度的目的。ZHANG等[57]研究了噴丸復(fù)合USR工藝對17Cr2Ni2MoVNb鋼滾動疲勞性能的影響，發(fā)現(xiàn)復(fù)合強(qiáng)化后，材料表層晶粒和第二相粒子細(xì)化程度較高，使得其對疲勞性能提升效果比單獨(dú)噴丸或單獨(dú)USR作用效果好。然而KARIMBAEV等[96]對AISI 4340鋼的實(shí)驗(yàn)結(jié)果卻表明，疲勞強(qiáng)度排序?yàn)椋簼L壓＞復(fù)合強(qiáng)化＞噴丸＞原始材料，如圖23（b）所示。相對于噴丸而言，USR在馬氏體板條細(xì)化（圖23c1，c2）和降低表面粗糙度（圖23d2，d3）方面存在較大的優(yōu)勢。而復(fù)合強(qiáng)化后二者的效能還不及單獨(dú)的USR處理（圖23c2，c3，d3，d4）。因此，復(fù)合工藝的強(qiáng)化效果有所削弱。另外，ZHOU等[97]探索了銑削復(fù)合USR過程中Ti-17合金β相的演變，指出銑削表面針狀β粒子尺寸增大，而復(fù)合強(qiáng)化使其尺寸在原始的基礎(chǔ)上大大減小，并且還出現(xiàn)織構(gòu)分層。該現(xiàn)象對其疲勞性能存在較大的影響。由上述結(jié)果可知，合理調(diào)控USR的復(fù)合工藝，可為增加材料疲勞性能的提高程度提供新的思路。

5 總結(jié)與展望

本研究總結(jié)了USR參數(shù)對金屬材料CRS、表面狀態(tài)和微觀組織的影響；分析了不同USR參數(shù)作用下的強(qiáng)化機(jī)制和疲勞壽命的演變，以及與USR相關(guān)的復(fù)合強(qiáng)化技術(shù)。USR參數(shù)對CRS、表面狀態(tài)和微觀組織有著顯著影響，盡管關(guān)于USR工藝參數(shù)對金屬材料疲勞強(qiáng)度的影響有大量的報(bào)道，但是由于USR工藝參數(shù)變化會導(dǎo)致影響層隨之變化，從而使其表現(xiàn)出不同的表面性能。因此，USR優(yōu)化疲勞性能的研究和發(fā)展依然還有很長的路要走。

此外，USR仿真可以減少昂貴的試驗(yàn)需求，并有助于獲得特定應(yīng)用的最優(yōu)參數(shù)。同時(shí)，它可以為USR材料的殘余應(yīng)力預(yù)測提供非常有用的信息。根據(jù)USR的一些關(guān)鍵因素，可以得到動態(tài)應(yīng)力場和殘余應(yīng)力場。因此，在已有的定性結(jié)果上發(fā)現(xiàn)量化數(shù)學(xué)模型，更有利于指導(dǎo)工業(yè)生產(chǎn)，這將是今后USR延長疲勞壽命研究的一個(gè)重要方向。

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