加工表麵完整性對疲勞性能的影響的金屬工件:複習一下

疲勞性能是一個機械部件承受周期性的壓力嚴重關切的問題,特別是安全是至關重要的。組件的疲勞性能密切依賴他們的表麵完整性,因為疲勞裂紋通常開始從自由表麵。綜述了已發布的數據,解決了加工表麵完整性的影響金屬工件的疲勞性能。局限在現有研究和提出了抗疲勞製造領域的未來發展方向。卓越的表麵形貌(如低粗糙度和一些當地的缺陷和夾雜物)和大型壓縮殘餘應力疲勞性能有益。然而,這些指標,描述準確表麵形貌和殘餘應力的影響需要進一步的研究和探索。循環載荷下殘餘應力鬆弛的影響需要精確建模精確。加工硬化對疲勞性能的影響有兩個方麵。加工硬化可以增加材料的屈服強度,從而延遲裂紋成核。然而,脆性增加可以加速裂紋擴展。 Thus, finding the effective control mechanism and method of work hardening is urgently needed to enhance the fatigue performance of machined components. The machining-induced metallurgical structure changes, such as white layer, grain refinement, dislocation, and martensitic transformation affect the fatigue performance of a workpiece significantly. However, the unified and exact conclusion needs to be investigated deeply. Finally, different surface integrity factors had complicated reciprocal effects on fatigue performance. As such, studying the comprehensive influence of surface integrity further and establishing the reliable prediction model of workpiece fatigue performance are meaningful for improving reliability of components and reducing test cost.

高可靠性的要求,使用壽命長越來越嚴格的機械部件用於航空航天領域。疲勞斷裂是機械部件的主要失效模式受到周期性的機械和熱載荷,疲勞破壞通常是突然和可能導致災難性的後果。據統計,考爾斯在1996年(圖B1),與疲勞相關的故障占49%的典型組件失效模式在軍事燃氣渦輪發動機(1]。因此,疲勞性能是至關重要的機械部件受到周期性的壓力。實驗證明從自由表麵疲勞裂紋通常發起。因此,疲勞性能是高度依賴於加工表麵的完整性(2,3,4]。因此,巨大的努力已經被研究人員對提高機加工零部件的疲勞性能,提高其表麵完整性,如通過優化加工參數和開發新插入5]。表麵的疲勞強度得到不同類型的加工流程比較協助處理技術(表的選擇1)[6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20.]。此外,某些加工技術的加工參數的影響,如切削速度(3,21,22,23,24),加料速度(4,22,25,26,27),刀具前角(28),和刀具磨損29日),進行調查。在大多數研究機加工零部件的疲勞性能,加工表麵完整性,包括表麵形貌(如表麵粗糙度、局部缺陷和夾雜物)(30.,31日,32,33],殘餘應力[28,34,35),加工硬化(36,37,38,39),和冶金結構改變(40,41,42),被認為是這座橋的內部機製改變工件的疲勞性能。然而,分歧仍在這些研究觀察到,因為測試工件材料、覆蓋鋼鐵(6,7,8,9,10)、不鏽鋼(18],鈦合金[15,17,20.),Ni-base高溫合金(13),和鋁合金19),疲勞性能測試方法和加載大小不同(表1)。

表達的研究現狀和引導未來研究工作在改善加工金屬部件的疲勞性能,本文將總結發布的數據,解決了加工表麵完整性的影響金屬材料的疲勞性能。表麵形貌的影響,殘餘應力、加工硬化,和冶金結構的變化將詳細的個人,將討論及其相互影響。現有研究的局限性和未來的發展方向將總結在抗疲勞製造領域。

表麵形貌的影響,包括表麵粗糙度、局部缺陷和夾雜物,對工件疲勞性能研究在1930年代早期(4),已達成幾個協議數據。

首先,表麵粗糙度、局部缺陷和夾雜物在加工表麵會影響工件的疲勞性能(16,30.,31日,32,33,43,44]。大型表麵粗糙度、局部缺陷和夾雜物可能降低工件的疲勞性能21,34,45,46,47,48]。

第二,表麵形貌主要影響裂紋擴展裂紋萌生,並沒有明顯的影響(49,50,51]。因此,大多數研究表明表麵形貌主要是有關高疲勞性能,因為高疲勞性能主要取決於裂紋萌生階段,和裂紋擴展壽命占主要部分的低循環疲勞性能16,52,53]。

最後,表麵形貌的影響程度是由工件材料特性(54,55,56),工件幾何(51),加載應力大小(24,57]。圖2總結了幾種材料的疲勞極限(如鐵、鎳基合金和鈦合金)不同所產生的表麵粗糙度不同加工條件下(54]。在溫柔的加工條件下,符合美國鋼鐵協會的4340鋼的疲勞極限與各種表麵粗糙度顯著改變,而718年鉻鎳鐵合金的疲勞極限並不依賴於表麵粗糙度。

表麵粗糙度對疲勞性能的影響

在早期的研究中,表麵輪廓的算術平均身高,類風濕性關節炎通常被認為的唯一因素,影響加工工件的疲勞性能58,59]。隨著研究的發展,越來越多的研究人員強調類風濕性關節炎不能描述所有重要的表麵形貌特征疲勞性能(60]。在後續的研究中,表麵輪廓高度參數,如Rz(配置文件的最大高度),\ (Rz ^ {\ ' \ '} \)(隨機表麵粗糙度曲線的最大高度)Rt(配置文件)的總高度(13,14,61年];混合參數,如Δ問(均方根斜率)和λq(本地高峰和低穀之間間距)61年];三維表麵形貌參數,如Sa(算術平均表麵高度),性病(紋理方向)薩爾(最快的衰變自相關長度);和體積參數,如Sci(核心液體瀦留指數),Svi(穀液體瀦留指數),Ssc(算術平均值峰會曲率的表麵)62年,63年),相關的疲勞強度。

然而,最有效的指標是有爭議的(表2)。Bayoumi et al。61年)研究了表麵粗糙度參數之間的相關性和旋轉彎曲疲勞疲勞極限的鋁合金,發現振幅參數(例如,類風濕性關節炎和中移動(均方根表麵輪廓高度))是影響疲勞疲勞極限比身高更重要(例如,Rz和Rt)和混合動力參數(例如,Δ問和λq)。然而,泰勒et al。14)表示,高度的影響參數(例如,Rz和Rt)對疲勞性能是最重要的在所有後的粗糙度參數測試各種鋼和有色合金的疲勞性能。Siebel [64年]也認為高度參數的影響是至關重要的,因為他們發現,當槽深度超過了臨界值(羅依),減少疲勞疲勞極限是成正比的日誌Rt(圖3)。此外,楊et al。21]表明,疲勞壽命模型基於表麵應力集中係數的計算采用三維表麵粗糙度參數更精確的比,使用二維的。Abroug et al。62年)表示,3 d振幅參數Sa研磨表麵的疲勞行為最好的特點。

格裏菲思(63年]也總結了影響程度不同的表麵粗糙度參數對工件的疲勞性能在現有的研究進行一個全麵的調查,結果如表所示3。

其他地形參數對疲勞性能的影響

除了表麵粗糙度,輪廓的清晰度31日,65年),局部缺陷的大小和形狀33,66年,67年),加工的形狀和方向標誌(14,35),夾雜物的大小和位置32,43)和微裂隙的大小(11,68年,69年)也被證明是對疲勞性能的影響。Leverant et al。65年]提出清晰度(例如,概要穀半徑)加工溝槽的比這個概要文件的最大高度(關鍵Rz當學習Ti-6A1-4V鈦合金的疲勞性能。Warhadpande和Sadeghi31日)確認表麵凹痕的重要影響清晰度在滾動接觸疲勞壽命。Taraf et al。33)研究了表麵缺陷的大小和形狀的影響鐵路車輪疲勞損傷,發現圓形缺陷的工件的疲勞壽命比那些長橢圓缺陷。缺陷大小的增加可以顯著降低疲勞性能。幾項研究[11,68年,69年)透露,machining-induced微裂隙可能傳播直接導致疲勞破壞,雖然有些分歧微裂隙的臨界值在這些研究解決。

我和愛德華32)相比,夾雜物的影響程度和表麵粗糙度偽造6082鋁合金的疲勞性能,發現夾雜物直徑20 - 80μm標本表麵可以作為裂紋成核的網站。鄧et al。70年]還發現時開始從夾雜物的疲勞裂紋的疲勞斷裂表麵滲碳12 cr2ni觀察(圖4)。這些結果與其他研究人員同意建議,如果表麵夾雜物的大小比高出一個數量級類風濕性關節炎值,然後他們可以超過任何對疲勞性能的影響,因為表麵粗糙度的4,15]。在此,Saberifar et al。43)表示,對於給定的應力,裂紋成核的臨界夾雜物大小可以通過消除表麵粗糙度增加。

限製

在上述研究中存在的主要限製是表麵形貌對疲勞性能的影響沒有被描述使用適當的指標或方法。

鑒於表麵形貌主要影響材料的疲勞性能,導致應力集中,應力集中係數(\ (K_ {t} \))被許多研究人員采用綜合指標代表的綜合影響表麵形貌(71年]。提出了一些模型和方法來計算的\ (K_ {t} \)。基於方程\ (K_ {t} \)一個表麵缺口受到均勻的張力(即在一個麵板。,情商。1)),Neuber [72年提出了半經驗方程\ (K_ {t} \)使用標準粗糙度參數(Eq。2)):

在哪裏t切口高度和嗎ρ\ (\ \)缺口根部半徑。

在哪裏n代表了應力狀態(n= 1為剪切和n張力= 2)。Rz和ρ\ (\ \)10點表麵高度和缺口根部半徑,分別。\λ(\ \)間距的比值(b)和高度(t)的表麵不規則,\ \(λ= b / t \)(圖5)。

Arola et al。73年)開發了一種新的模型來計算有效應力集中係數(\(\眉題{{K_ {t}}} \))的加工表麵紋理(Eq。3))。算術平均粗糙度(類風濕性關節炎),peak-to-valley高度(變化中),表麵高度(10分Rz)和有效輪廓穀半徑(\(\眉題ρ}{\ \))被認為是。

在哪裏n是代表了應力狀態的經驗常數(n= 1為剪切和n張力= 2)。

除了上述數學模型,采用的有限元(FE)分析也獲得加工表麵應力狀態(44,60,71年,74年]。樣品表麵輪廓測量和用於生成有限元模型。均勻拉伸載荷定義材料特性和齧合後應用。最大和正常•馮•米塞斯提取等效應力和應力集中係數(\ (K_ {t} \))是由使用情商。4)。

在哪裏\ (\ sigma_{馬克斯}\)和\ (\ sigma_{筆名}\)是最大和正常•馮•米塞斯等效應力,分別。的原則\ (\ sigma_{馬克斯}\)和\ (\ sigma_{筆名}\)通過有限元計算圖所示6。

然而,盡管應力集中係數(\ (K_ {t} \))是一個有用的指標,揭示了表麵形貌對疲勞性能的影響機製在某種程度上,它仍然有一些缺陷。

首先,應力集中係數不能有效地描述微裂隙的影響,能夠直接傳播引起疲勞破壞。此外,應力集中係數沒有考慮材料特性,加工的形狀和方向標誌,以及表麵粗糙度的臨界值,缺陷和夾雜物。程度的表麵形貌對疲勞性能的影響為各種不同工件材料特性(54),和加工缺陷的形狀14,35]。最後,應力集中係數(\ (K_ {t} \))表麵形貌的影響歸因於切口效應完全。然而,一些研究人員發現,真正的表麵形貌對疲勞性能的影響不是那麼明顯的應力集中係數(75年,76年]。泰勒和克蘭西(14]提出斷裂力學方法導致更好的結果比缺口效應機製低粗糙度的表麵,在比較En19鋼的疲勞壽命由拋光加工,研磨,研磨和塑造。

因此,一個更有效的指標能夠充分描述表麵形貌對加工工件疲勞性能的影響需要進一步探索。

機加工表麵疲勞性能的深入研究,許多研究人員表明,殘餘應力也是一個重要因素,影響了工件疲勞性能除了表麵形貌(10,20.,28,34]。殘餘應力對疲勞性能的影響,研究人員已達成了一項協議,壓縮殘餘應力可以改善疲勞極限和耐拉伸殘餘應力可以減少疲勞15,16,30.,35,77年,78年,79年]。在文獻中,拉伸殘餘應力被確認為一個重要因素,導致放電和激光加工表麵疲勞性能差(17,30.,80年]。相反,壓縮殘餘應力被廣泛用來解釋改善噴丸加工產生的表麵的疲勞極限81年,82年,83年,84年,85年),(6,11,26],銑[12,76年,86年],磨料射流加工(20.,30.]。史密斯et al。6和科斯特54]甚至考慮殘餘應力對疲勞性能的影響是更重要的比表麵形貌。El-Helieby和羅87年)還發現,表麵殘餘應力之間的關係和地麵En31鋼的疲勞強度大約是線性的。

影響機製和殘餘應力的關鍵指標

雖然加工表麵殘餘應力對疲勞性能的影響機製已被廣泛研究,它仍然是有爭議的。大多數研究者同意的結論瓦格納和格雷戈裏49),壓縮殘餘應力可以延緩裂紋增長顯著,但它對裂紋萌生的影響是微不足道的。一些研究人員(11,88年,89年)認為,壓縮殘餘應力可以減少疲勞裂紋增長速度,從而提高工件的疲勞性能。郭和沃倫8]表明,壓縮殘餘應力可以通過關閉阻礙裂紋擴展裂紋尖端。然而,一些研究者將裂紋萌生的位置的樣本,發現壓縮殘餘應力會影響疲勞裂紋萌生。壓縮殘餘應力可能會迫使的運動疲勞裂紋萌生的位置從地下的樣品表麵75年,84年,90年,91年]。

殘餘應力的影響機製上的分歧導致殘餘應力的最關鍵的指標參數,確定了疲勞性能。典型的加工表麵殘餘應力深度剖麵如圖7與硬把軸承鋼(獲得)。不管表麵的殘餘應力拉伸或壓縮,它掉到最大壓縮狀態與深度的增加。隨後,壓縮殘餘應力逐漸降低,直到一個穩定值在不久的工件實現底物(92年,93年,94年]。

鑒於殘餘應力主要影響裂紋擴展對裂紋萌生但沒有明顯影響,科斯特(54)表明,次表層殘餘應力控製工件疲勞行為而不是外表麵壓力。然而,華et al。94年)發現,表麵主要殘餘應力可能導致裂紋閉合在交變載荷和裂紋擴展速率降低。Schwach et al。95年)表示,表麵殘餘應力值和近地表殘餘應力剖麵明顯滾動接觸疲勞。然而,最大的深度壓縮殘餘應力在地下不是至關重要的。相反,Drechsler et al。96年和哈桑et al。97年)建議大小的重要性和影響深度壓縮殘餘應力的一個旋轉梁的疲勞性能。這個結果是由瓦格納(19和克洛茨等。82年),他們發現,高疲勞裂紋有核的位置和最大拉伸殘餘應力低於機械加工麵(圖8(獲得拍攝錘頭鉻鎳鐵合金718))。

殘餘應力鬆弛

雖然殘餘應力鬆弛已被公認是花費在分析工件的殘餘應力對疲勞性能的影響,其影響程度是有爭議的34,81年,83年]。貝內代蒂et al。98年]研究了反向彎曲疲勞行為的鏡頭錘頭7075 - t651鋁合金,發現殘餘應力鬆弛時才存在材料塑性流動應力達到抗壓載荷循環的一部分。這個結果同意與亨佩爾et al。99年和劉et al。One hundred.),他們都認為一旦殘餘應力的總和和外加應力達到或超過了工件材料的屈服強度,釋放的殘餘應力主要可以在幾個周期,從而導致殘餘應力對疲勞性能的影響可以忽略不計。基於這一重要發現,大多數研究人員認為,加工表麵殘餘應力主要影響高疲勞(低應力疲勞)16,101年]。

然而,奧茲德米爾et al。102年)和Dalaei et al。103年)發現,壓縮殘餘應力的鬆弛也可能發生在循環載荷下即使總負荷低於材料的屈服強度。壯族et al。104年和托雷斯et al。105年]表明,殘餘應力鬆弛與外加應力值和疲勞周期的數量,和提出了一個分析模型來估算殘餘應力鬆弛(Eq。5)):

在哪裏\(左\ | {\ sigma_{0} ^{再保險}}\右| \)和\ (\ sigma_ {N} ^{你}\)最初的表麵殘餘應力和表麵殘餘應力後N周期,分別。一個和米材料常數依賴循環應力應變響應。常數B控製鬆弛率與加載周期。\ (\ sigma_ {} \)循環荷載振幅和嗎\ (\ sigma_ {y} \)是材料屈服強度。\ (C_ {w} \)是一個參數占冷加工的程度。R加載比和嗎N是加載循環。

由於殘餘應力鬆弛,Cretu和Popinceanu106年]建議的存在一個最佳的殘餘應力分布,可以達到最佳的疲勞性能在一定加載。然而,作者並沒有現在的方法確定最佳殘餘應力分布。

在加工過程中,嚴重的材料塑性變形可能導致微觀結構的變化,包括存儲混亂,晶粒細化,甚至相變,從而提高加工表麵的硬度,也稱為加工硬化(107年,108年]。加工硬化是與材料疲勞性能密切相關2,8,23]。根據現有文獻,加工硬化對工件疲勞性能的影響是一個非常有爭議的話題。

瓊斯等人。109年]探索應變硬化的影響鋼軌鋼的負荷能力,發現材料的屈服強度是成正比的維氏硬度(Eq。6)):

在哪裏k剪切屈服強度,\ (\ sigma_ {y} \)屈服強度、\ (H_ {V} \)維氏硬度。

崔(25)建立了一個模型來描述裂紋擴展壽命將符合美國鋼鐵協會的1053鋼的疲勞性能,考慮其材料特性(Eq。7))。該模型表明,高表麵硬度可能導致裂紋擴展壽命長。

在哪裏\ (N_ P {} \)裂紋擴展壽命。\(現代{1}\)和\(現代{2}\)初始和最終的一半長度裂縫,分別。C是材料常數。\ (H_ {b} \)是大部分的努氏硬度材料,\ (H_ {l} \)是當地的努氏硬度。δK \ (\ \)是領先的尖端的應力強度因子範圍。n是斜率指數。

村上春樹(110年]進一步表明,材料疲勞強度正比於它的維氏硬度,可以用情商表示。(8)。這個結果被許多研究人員采用和確認。地區(35]研究了加工硬化的影響加工鋼的疲勞性能和表示,加工硬化可能改善其屈服強度,從而延長疲勞壽命。Nishida et al。111年)還發現,加工硬化提高軋製S25C鋼的疲勞強度。類似的結果在不同的金屬材料,如鎳基高溫合金(13,30.,52)、鋼(83年,112年),和不鏽鋼113年研究者所得到的),也有不同的疲勞測試方法。瓦格納(19)得出的結論是,加工硬化能抑製疲勞裂紋萌生通過增加屈服強度,從而提高工件的疲勞性能。

在哪裏\ (\ sigma_ {M, w} \)材料疲勞強度和嗎\ (H_ {V} \)維氏硬度。

伊內斯等。114年)最初的旋轉彎曲疲勞性能相比,gas-nitrided和商店42 crmo4鋼錘頭,發現表麵加工硬化的影響疲勞裂紋擴展行為是更重要的比殘餘應力場。相反,盡管Iswanto et al。115年)證實,彎曲疲勞極限軋製不鏽鋼加工硬化,增加他們建議壓縮殘餘應力對疲勞極限的影響改善不鏽鋼高於加工硬化。馬丁et al。39]研究了錘頭拍攝的疲勞壽命AA 6005 - t6鋁合金和聲明,粗糙度的影響程度,殘餘應力場,加工硬化對疲勞行為取決於材料的性質。高強度材料、粗糙度和殘餘應力場預計將在材料的疲勞行為更重要的比表麵硬度的增加。材料具有良好的加工硬化能力和溫和的機械強度,硬度的增加是比另一個更相關的變量。

許多研究人員還指出,加工硬化可以降低加工表麵的延性和斷裂韌性,從而減少疲勞裂紋擴展的抑製(表4)[9,49,116年]。Klumpp et al。36)測試對疲勞裂紋增長加工硬化的影響,有效的閾值和裂紋張開718鎳基高溫合金鉻鎳鐵合金的行為。疲勞裂紋增長率高、低有效的閾值,減少裂紋張開應力強度觀察加工硬化材料。黃等。23)發現一個適當的表麵應變硬化可以有助於提高抗疲勞強度。然而,過度的表麵應變硬化可能增加表麵脆性,從而破壞抗疲勞強度。

此外,地幔和Aspinwall [68年)表示,降低延性材料的加工硬化引起的生產沒有缺陷的表麵是一個障礙。一旦加工表麵含有微裂隙,其疲勞性能主要取決於裂紋擴展過程,從而減少了加工硬化(76年,86年]。

福井等人發現加工硬化對疲勞性能的另一個負麵影響通過研究高錳奧氏體鋼的滾動接觸疲勞耐力(113年]。他們發現疲勞裂紋可以傳播很容易沿著加工硬化區和正常的邊界地帶。跳動的加工表麵疲勞強度可以增加了加工硬化,由於加工硬化的不均勻性12]。

這些觀察表明,加工硬化對工件疲勞性能的影響是雙麵的,依賴於誘導屈服強度和斷裂韌性。劉等人。One hundred.)測試face-milled汽車零件的表麵屈服強度、斷裂韌性不鏽鋼使用連續球壓痕技術。發現表麵加工硬化的影響屈服強度、斷裂韌性取決於其生成機製。當工作主要是由於塑性應變硬化,硬化材料斷裂韌性嚴重減少和平衡積極增加屈服強度對疲勞性能的影響。然而,當加工硬化主要是由晶粒細化,同時表麵屈服強度和斷裂韌性增加,延長疲勞壽命。這個結果同意與Libor et al。(38),曾嚴重商店噴丸引起晶粒細化和生產納米表層上50 crmo4鋼鐵、疲勞強度提高了23%的超高周疲勞政權(10⁹周期)。他們建議的nano-crystallized結構材料的表層可能增加裂紋萌生的壓力被應用。趙et al。117年]細晶強化效應歸因於晶粒取向。他們發現nano-crystallized細長顆粒的結構基本上是平行於外部負載,id,他們垂直於表麵裂紋擴展。在這個方向,晶界是不利於裂紋的孵化,和不太可能疲勞裂紋從這一層開始。其他一些研究[47,79年,83年,118年,119年)還發現,晶粒細化可以提高材料的屈服強度和韌性斷裂韌性通過抑製馬氏體的形成裂縫和解理斷裂。然而,他們沒有提供有效的控製方法,加工硬化提高機加工零部件的疲勞性能。

除了晶粒細化和冶金structure-changing誘導加工硬化的影響其他machining-induced冶金結構變化對加工工件疲勞性能也被研究人員。

Nishida et al。111年]表明,變形層壓輥結構工作鋼JIS S25C提高疲勞強度與non-roller標本與疊層平行結構。他們認為變形結構可以防止裂紋萌生和抵抗疲勞裂紋的傳播到內陸地區在疲勞試驗。力拓et al。41]也認為晶界可以作為未來區塑性流動壁壘的裂紋尖端。然而,考克斯等人。120年)表示,不匹配的混亂是有害的加工工件的疲勞性能,因為小裂紋沿不利地對齊基底平麵加工地下α相的亞穩β鈦合金ti - 5553是占主導地位的裂紋萌生機製。

馬氏體轉變的影響在加工表層疲勞性能進行了一些研究。陳等人。121年,122年)建議與奧氏體結構相比,轉換後的馬氏體組織是有害的疲勞強度。馬氏體板條的邊界是有利於裂紋擴展,可以降低工件的疲勞性能。此外,奧氏體可以維持較大的塑性變形,而馬氏體轉變在疲勞過程中可以吸收能量和放鬆在裂紋尖端的應力集中,從而阻礙裂紋的傳播。然而,Uematsu et al。123年)的旋轉彎曲疲勞性能測試周期性pre-strained 304奧氏體不鏽鋼和發現高分數和均勻分布的馬氏體相誘導裂紋萌生機製的轉變,增加了疲勞極限。此外,盡管馬氏體轉變明顯減少了304不鏽鋼的疲勞強度在3%氯化鈉溶液−25°C,隻是et al。40]證明了應變馬氏體相的數量並不影響304不鏽鋼的疲勞強度實驗室空調。他們的實驗證實,馬氏體轉變量幾乎影響了裂紋擴展行為,因為應變馬氏體轉變發生在奧氏體中的滑移帶和疲勞裂紋開始階段。

由於嚴重的塑性變形或re-solidification融化的金屬在熱機械加工過程中,“白層”是一種嚴重的冶金結構變化。白色層工件疲勞性能的影響被一些研究者專門調查。雖然一些研究者(6,124年]表明,白層的影響高tension-tension疲勞性能比殘餘應力不那麼重要,大多數研究人員認為,白層嚴重不利於疲勞性能(125年,126年]。樹突結構和微裂隙在白層,通常運行正常加工表麵(圖9),可以作為裂紋萌生源(16]。此外,白色的高脆性層有利於裂紋萌生和傳播,從而可能摧毀疲勞性能。前et al。126年)實驗證明了裂紋更容易在白層形成和傳播之間的邊界壓縮載荷下的白層和襯底和塑性變形。Schwach et al。95年和郭et al。125年)也證實白層對疲勞性能的負麵影響比較樣品的滾動接觸疲勞的生活,沒有白色的層。他們的研究結果表明,疲勞壽命嚴重與白層厚度的增加減少。

雖然冶金結構變動的影響加工工件疲勞性能已被許多研究人員研究,尚未達到統一和準確的結論。有效的工件疲勞性能預測模型(或方法)基於冶金結構變化尚未建立。

雖然表麵形貌的影響,殘餘應力、加工硬化和冶金結構變化對加工工件疲勞性能分別討論了以上,加工過程通常改變同步這些表麵完整性的因素3,82年]。考慮到所有這些因素可以改變疲勞裂紋萌生和擴展過程,必須存在相互影響。因此,加工工件的疲勞性能是由他們的綜合影響76年,93年]。不同表麵完整性的相互影響因素對疲勞性能進行了分析和總結在圖10。

首先,基於貧困的影響表麵形貌和壓縮殘餘應力疲勞裂紋萌生和擴展過程,認為其對疲勞性能的影響很容易抑製對方。窮人表麵形貌(即。,the large surface roughness, local defects and inclusions) could induce stress concentration and accelerate fatigue crack initiation [21,71年]。應力集中可以擴大本地加載工件嚴重,這可能會導致局部應力達到甚至超過材料的屈服強度。一旦殘餘應力的總和和外加應力達到或超過材料屈服強度,嚴重殘餘應力鬆弛會發生(99年,One hundred.]。因此,嚴重的貧窮的表麵形貌引起的應力集中可能稀釋壓縮殘餘應力對疲勞性能的影響誘導殘餘應力鬆弛。

此外,姚明et al。127年]發現窮人表麵形貌可能導致早期不穩定骨折,減少疲勞的麵積比傳播區。盡管如此,許多研究人員表明,壓縮殘餘應力主要抑製裂紋擴展過程提高疲勞強度(8,11,49,88年,89年]。因此,減少貧困導致的疲勞擴展區表麵形貌可以抑製壓縮殘餘應力對抑製裂紋擴展的影響,從而稀釋壓縮殘餘應力對疲勞性能的影響。

作為回報,裂紋尖端關閉(8和次表層疲勞裂紋萌生75年,84年,90年,91年壓縮殘餘應力引起的)可以抑製不良的負麵影響表麵形貌對疲勞裂紋萌生。

第二,可憐的表麵形貌的互惠效應和加工硬化對疲勞性能是雙麵的。一方麵,基於上麵的結果(25,45,46,49),窮人表麵形貌主要加速疲勞裂紋成核,和嚴重的加工硬化主要加速疲勞裂紋擴展。因此,其對疲勞性能的影響可以相互結合來放大。另一方麵,加工硬化引起的屈服強度的增加可以抑製裂紋的起始19,35],它違背可憐的表麵形貌的影響,從而抑製可憐的表麵形貌對疲勞性能的影響。

最後,加工硬化的效果和壓縮殘餘應力對疲勞性能也可以相互影響。加工硬化引起的屈服強度的增加可以減少殘餘應力鬆弛,從而加強壓縮殘餘應力對疲勞性能的影響。Sidhom et al。37]證明了加工硬化修改之間的相互依存和循環荷載下殘餘應力再分配實驗和數值方法,它表明,表麵加工硬化附近越高,更穩定的初始殘餘應力。然而,加工硬化引起的高脆性可以加速疲勞裂紋擴展(49),而壓縮殘餘應力可以抑製裂紋擴展(8,49]。因此,加工硬化的影響,壓縮殘餘應力可能相互抑製。

不同的表麵完整性的複雜的相互影響因素對疲勞性能增加的困難暴露的表麵完整性對疲勞性能的影響機理,建立準確的疲勞極限預測模型。一個更好的方法或模型研究和描述表麵完整性對疲勞性能的影響是至關重要的。

本文總結了當前最先進的研究加工表麵完整性的影響,包括表麵形貌、殘餘應力、加工硬化和冶金結構變化對工件疲勞性能。這些因素對材料疲勞性能的相互影響進行了討論。基於上麵的討論,總結了主要結論如下。現有研究的局限性和未來的發展方向提出了抗疲勞製造領域。

(1)加工工件的疲勞性能是決定全麵的表麵形貌(包括表麵粗糙度、局部缺陷和夾雜物)、殘餘應力、加工硬化和冶金結構變化。然而,這些因素的複雜的相互影響疲勞性能和疲勞極限的有效預測模型是至關重要的。

(2)應力集中係數(\ (K_ {t} \))是一個有用的指標來描述表麵形貌對疲勞性能的影響。然而,現有的計算模型和方法\ (K_ {t} \)忽略了材料屬性和關鍵缺陷和夾雜物的價值,需要進一步改進。

(3)壓縮殘餘應力是有利於工件疲勞性能。然而,循環載荷下的殘餘應力鬆弛更精確地預測其效果需要進一步研究。

(4)加工硬化對疲勞性能的影響是雙麵的。加工硬化引起的高屈服強度可以延遲裂紋成核,但脆性的增加可以加速裂紋擴展。此外,加工硬化的效果是冶金結構的變化密切相關。找到有效的控製機製和方法的加工硬化和冶金結構變化提高機加工零部件的疲勞性能是迫切需要的。

(5)複雜的相互影響中討論了表麵質量參數。可憐的表麵形貌的影響,壓縮殘餘應力對疲勞性能相互抑製。可憐的表麵形貌和加工硬化的互惠效應是雙麵(放大或抑製對方)。壓縮殘餘應力可以抑製加工硬化對疲勞性能的影響,而加工硬化可能放大或抑製壓縮殘餘應力的影響。

不適用。

由中國國家自然科學基金(批準號52005281),中國山東省自然科學基金重大項目(批準號ZR2018ZA0401),青島創新計劃和應用基礎研究項目(批準號18 - 2 - 2 - 67 - jch)。

作者和聯係

1. 機械與汽車工程學院,青島科技大學,青島,266033年,中國

   郭亮劉& Shufeng太陽

2. 先進的航空工程技術中心(CaJET),重點實驗室的高效和清潔機械製造(教育部),全國機械工程實驗教學示範中心(山東大學),機械工程學院,山東大學,濟南,250061年,中國

   Chuanzhen黃

3. 弗勞恩霍夫研究所材料力學IWM Wohlerstraße 11, 79108年,德國弗萊堡

   趙本

4. 機電工程學院,中國石油大學(華東)青島,266580年,中國

   魏王

貢獻

GL冶金結構變化和相互的影響分析不同因素對疲勞性能的影響,並寫了大部分的手稿。CH引導手稿的總體思想和分析表麵形貌對疲勞性能的影響。熱殘餘應力對疲勞性能的影響進行了分析。WW和SS分析了加工硬化對疲勞性能的影響。所有作者閱讀和批準最終的手稿。

作者的信息

郭亮劉。生於1990年,目前是副教授機械與汽車工程學院,青島科技大學,中國。他收到了他的博士學位山東大學、中國在2019年,。他的研究興趣包括高性能和綠色加工技術、微紋理設計和激光加工技術。

Chuanzhen黃,生於1966年,目前是教授山東大學機械工程學院,中國。

本趙,生於1991年,目前是博士後德國弗勞恩霍夫研究所材料力學IWM。

魏王,生於1988年,目前是講師機電工程學院,中國石油大學(華東),中國。

Shufeng太陽,生於1968年,目前是教授機械與汽車工程學院,青島科技大學,中國。

相應的作者

對應到郭亮劉。

相互競爭的利益

作者聲明沒有競爭的經濟利益。

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