磨削表面完整性對GH135鋼疲勞強度的影響分析

楊洪春

（達(dá)州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，達(dá)州 635001）

磨削表面完整性對GH135鋼疲勞強度的影響分析

楊洪春

（達(dá)州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，達(dá)州 635001）

GH135鋼具有優(yōu)良的高溫強度、熱穩(wěn)定性及抗熱疲勞性，主要用于制造發(fā)動機(jī)內(nèi)部零部件，處于交變載荷和腐蝕介質(zhì)等工作環(huán)境中，因此磨削表面完整性對GH135鋼疲勞強度的影響非常大。本文從殘余應(yīng)力、加工硬化、表面粗糙度三個方面具體分析了其各自對GH135鋼的單一影響及其綜合影響。

磨削表面 完整性 GH135鋼 疲勞強度 殘余應(yīng)力 加工硬化 表面粗糙度

GH135鋼屬于鐵鎳基變形高溫合金，其主要成分為Cr15Ni35Ti2Al2.5W2Mo2B,具有優(yōu)良的高溫強度、熱穩(wěn)定性及抗熱疲勞性。在600～1000℃的氧化和燃?xì)飧g條件下，它能承受復(fù)雜應(yīng)力，能長期可靠的工作，廣泛用于化學(xué)工業(yè)及船舶、航空、宇航中[1]。在航空工業(yè)中，它主要用于發(fā)動機(jī)的熱端部件，如渦輪葉片、渦輪、加力燃燒室及渦輪傳動軸等。用GH135鋼制造的零件多處于交變載荷及腐蝕介質(zhì)這樣的工作環(huán)境中，因此較差的表面完整性將會加快零件的疲勞破壞，降低零件的使用壽命。因此，研究并掌握該材料磨削加工表面完整性非常重要。

1 GH135鋼的磨削特點

（1）磨削過程中砂輪易粘附堵塞。磨削GH135鋼，砂輪磨粒除有較嚴(yán)重的磨損消耗外，砂輪還有較嚴(yán)重的粘附堵塞，一般多用剛玉類砂輪磨削材料。

（2）磨削力大。磨削GH135鋼的磨削力比磨削普通鋼料的磨削力大得多。該材料中的Fe,Cr,Ni,Mo等高熔點元素構(gòu)成了純度高、組織致密的奧氏體合金。這種奧氏體合金塑性好，在磨削過程中的塑性變形大，從而使磨削變形功增大。

（3）磨削溫度高。磨削GH135鋼時，砂輪磨粒頂部表面極易與材料粘附，使粘附在磨粒上的金屬層與被磨零件表面接觸，摩擦系數(shù)增大，材料本身的熱導(dǎo)率又低，摩擦熱集中在被磨工件表層，使磨削溫度升高。

（4）磨削表面質(zhì)量不易保證。由于磨削力大，磨削溫度高，砂輪極易鈍化，所以GH135鋼材料的磨削表面完整性難以保證。

2 磨削表面完整性對GH135鋼疲勞強度的影響

磨削表面完整性的對GH135鋼疲勞強度的影響表現(xiàn)在以下方面：加工硬化，殘余應(yīng)力，表面粗糙度及其綜合影響。

2.1 加工硬化對GH135鋼疲勞強度的影響

加工硬化將使GH135鋼表面組織纖維化，晶粒破碎，屈服強度提高，硬度增加，塑性和韌性降低，晶格發(fā)生畸變位錯的活動因位錯塞積而減弱。在交變應(yīng)力作用下，GH135鋼表面硬化層阻止位錯線向表面伸出，推遲了疲勞強度的產(chǎn)生。另外，表面硬化后，裂紋產(chǎn)生在GH135鋼加工硬化層之下，需要有更大的應(yīng)力或更多的載荷循環(huán)次數(shù)才能使其進(jìn)一步擴(kuò)展。

表面硬化后，表層組織的位錯密度較高，處于一種不穩(wěn)定狀態(tài)。在低溫和常溫下，原子擴(kuò)散能力小，表層由不穩(wěn)定向穩(wěn)定狀態(tài)的恢復(fù)作用非常緩慢，若溫度提高并持續(xù)一段時間后，加工硬化表面層在熱激活的作用下，晶體中位錯再發(fā)生排列，則會使晶體點陣能降低，從而使加工硬化得到恢復(fù)。

加工硬化對GH135鋼疲勞強度的影響與加載形式有關(guān)。在低頻疲勞強度下，GH135鋼表面處于彈塑性狀態(tài)，表面層的預(yù)應(yīng)變消耗了原材料的塑性。因此，加工塑性變形造成的硬化在一定程度上降低了疲勞強度。在高頻疲勞強度下，GH135鋼位錯密度的增加使位錯滑移受阻，延緩了駐留滑移帶的形成，并提高了形成駐留滑移帶的應(yīng)力，增加了裂紋產(chǎn)生的抗力，從而提高了疲勞強度。

2.2 殘余應(yīng)力對GH135鋼疲勞強度的影響

通過大量的試驗，普遍認(rèn)為：殘余壓應(yīng)力會提高材料的疲勞強度，殘余拉應(yīng)力會降低材料的疲勞強度。但這種認(rèn)識并不十分準(zhǔn)確。殘余應(yīng)力對疲勞強度的影響十分復(fù)雜。它與殘余應(yīng)力的大小、分布及產(chǎn)生的過程有關(guān)，也與材料的使用環(huán)境、外加應(yīng)力狀態(tài)、彈性性質(zhì)等有關(guān)。日本米谷茂所提出的“殘余應(yīng)力取決于應(yīng)力循環(huán)的穩(wěn)定性[2]”說明了對疲勞強度真正起作用的是在工作應(yīng)力下經(jīng)衰減后實際存在的殘余應(yīng)力，而不是加工后獲得的原始應(yīng)力值。當(dāng)材料發(fā)生屈服時，殘余應(yīng)力就會發(fā)生衰減，對疲勞強度的影響就會減小甚至消失。

Fochs H O.提出了疲勞載荷下殘余應(yīng)力是否衰減的判斷式，即：

式中，σm為平均應(yīng)力，其值為最大應(yīng)力σmax與最小應(yīng)力σmin之和的一半；σa為應(yīng)力幅，其值為最大應(yīng)力與最小應(yīng)力之差的一半；σt為殘余應(yīng)力。

現(xiàn)利用上述判斷式分析GH135鋼疲勞強度試驗中殘余應(yīng)力的作用情況：

①在常溫下，當(dāng)外加最大應(yīng)力為了830MPa，R=0.1時，σm+σr+σa（約等于930MPa）＜σs（1152 MPa），在此疲勞強度下，殘余應(yīng)力沒有衰減，殘余應(yīng)力對疲勞強度有影響。

②在650℃高溫下，當(dāng)外加最大應(yīng)力為830MPa，R=0.1時，σm+σr+σa（約等于930MPa）＞σs（900 MPa），在該疲勞條件下，殘余應(yīng)力發(fā)生衰減，殘余應(yīng)力對疲勞強度的影響可以忽略。

2.3 表面粗糙度對GH135鋼疲勞強度的影響

加工后的表面可看作由無數(shù)微觀缺口組成，這些微觀缺口對疲勞強度有很大的影響，其影響可由下式表示：

式中，△s、△e分別為名義應(yīng)力和名義應(yīng)變；△σ為應(yīng)力；△ε為應(yīng)變；kf為微觀不平度有效應(yīng)力集中系數(shù)。

由上式可知，表面粗糙度變差將使疲勞試樣的應(yīng)力、應(yīng)變增加，導(dǎo)致材料的疲勞強度下降。

在高頻疲勞條件下，由于所選的應(yīng)力幅小于材料的屈服極限，所以疲勞試樣的整個表面處于彈性變形狀態(tài)，把△e＝△s/E代入式（3）后得

上式說明，雖然材料處于彈性加載狀態(tài)，但由于機(jī)械加工引起的表面微觀缺口造成的應(yīng)力集中將使表面局部應(yīng)力應(yīng)變增加，還有可能使局部處于彈性塑性變形，這將減少疲勞裂紋的產(chǎn)生壽命，從而降低了疲勞強度。

在高頻向低頻疲勞過渡的情況下，即所選擇的應(yīng)力幅處于GH135鋼材料屈服極限時，表面粗糙度的影響由應(yīng)力集中向應(yīng)變集中過渡，此時應(yīng)力集中的影響下降，而應(yīng)變集中的影響上升。但表面粗糙度對疲勞強度的影響仍可用式（3）進(jìn)行判定。

在低頻疲勞條件下，應(yīng)力幅往往高于GH135鋼的屈服極限，此時表面粗糙度對GH135鋼疲勞強度的影響主要由應(yīng)變集中應(yīng)起，大的循環(huán)塑性使GH135鋼表面裂紋迅速產(chǎn)生而擴(kuò)展，因此，表面粗糙度對GH135鋼裂紋產(chǎn)生的影響下降，從而使表面粗糙度對GH135鋼疲勞強度的影響相對減小。

在應(yīng)變疲勞中，表面粗糙度對GH135鋼的疲勞壽命有較顯著的影響。表面粗糙度越小，GH135鋼的疲勞壽命越高。另外，名義應(yīng)變量越大，GH135鋼疲勞壽命越低，這說明在較大應(yīng)變量的低頻應(yīng)變疲勞試驗中，表面粗糙度變差將使GH135鋼疲勞壽命迅速下降。

在高溫低頻疲勞條件下，由于外加最大應(yīng)力與殘余應(yīng)力之和已明顯高于GH135鋼在550℃下的屈服強度，所以材料已經(jīng)屈服，殘余應(yīng)力發(fā)生衰減，加工表面顯微硬度也會恢復(fù)。另外，GH135鋼試樣經(jīng)長時間保溫后，殘余應(yīng)力和加工硬化也會分別發(fā)生衰減和恢復(fù)。由于在高溫下，殘余應(yīng)力發(fā)生衰減，加工硬化同時發(fā)生恢復(fù)，所以表面粗糙度造成的應(yīng)力集中將起主導(dǎo)作用。表面粗糙度Ra值增大，應(yīng)力集中系數(shù)大，疲勞壽命低；表面粗糙度Ra值減小，應(yīng)力集中系數(shù)小，疲勞壽命高。

GH135鋼處于高頻載荷和工作高溫下，表面粗糙度同樣對疲勞壽命有很大的影響。

2.4 表面完整性對GH135鋼疲勞強度的綜合影響

GH135鋼的疲勞性能不能僅僅歸因于某一項表面完整性參數(shù)的作用，而是表面完整性的綜合效應(yīng)。也就是說，表面殘余應(yīng)力、表面硬化和表面粗糙度將綜合影響GH135鋼的疲勞強度。為了確定在工作高溫下GH135鋼疲勞強度特性與表面完整性參數(shù)間的相互關(guān)系，應(yīng)用不同表面完整性參數(shù)的多因素回歸分析法進(jìn)行疲勞試驗，得出表面完整性參數(shù)對GH135鋼疲勞強度σ-1（交變應(yīng)力）影響的多次回歸方程。

對于GH135鋼（試驗條件為800℃，負(fù)載頻率為1000Hz,循環(huán)次數(shù)為108），回歸方程為

由上式可知：

①隨著表面粗糙度Ra值的增加及加工硬化程度N和硬化深度h的增加，疲勞強度下降；

②表面粗糙度對疲勞強度的影響程度比表面完整性的其他參數(shù)的影響程度大；

③疲勞強度的降低程度與試驗循環(huán)次數(shù)有關(guān)，次數(shù)越多，表面完整性參數(shù)對GH135鋼疲勞強度的影響越明顯；在同樣的表面完整性參數(shù)條件下，試驗循環(huán)次數(shù)越多，疲勞強度越低。

根據(jù)表面完整性參數(shù)對疲勞強度影響的綜合影響數(shù)據(jù)和單一影響數(shù)據(jù)，可確定磨削表面粗糙度、加工硬化及表層殘余應(yīng)力對GH135鋼疲勞強度的影響程度。一般在規(guī)定的試驗條件下，磨削后每一個表面完整性參數(shù)在降低GH135鋼疲勞強度中所占的比例為：表面粗糙度占50%；表面加工硬化占40%～45%；殘余應(yīng)力占5%～10%。在保證表面粗糙度Ra值為0.16～5微米的加工范圍內(nèi)，不管磨削后表層物理狀態(tài)如何，上述比例基本保持不變。

[1]崔占全，丘平善，工程材料，哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2001.

[2]米谷茂，殘余應(yīng)力的產(chǎn)生和對策[M],朱荊璞，邵會孟譯，北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

[3]Fuchs HO.Stephens RI.Metal fatigue in engineering.Wiley Interscience Publication,New York.1980:125-147.

Impact of Grinding Surface Integrity on GH135 Steel Fatigue Strength

YANG Hongchun
（Florida Vocational and Technical College,Dazhou 635001）Abstract:GH135 steel with excellent high temperature strength, thermal stability and thermal fatigue resistance,is used primarily for the manufacture of internal engine parts in alternating loads and corrosive media,so the grinding surface integrity has great impact on GH135 Fatigue Strength.This paper analyzed respective impact and combined impact of the residual stress,work hardening and surface roughness on GH135 steel.

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