殘余應(yīng)力對汽車零件疲勞壽命的影響研究

摘 要：眾所周知，由于負(fù)荷交變壓力，汽車零件常常因?yàn)檫^度疲勞而發(fā)生損壞，這個(gè)過程主要分為三個(gè)階段，即受理表面開始出現(xiàn)疲勞裂痕、裂縫的擴(kuò)大以及最終的瞬間性斷裂。因此，為了有效提升零件的疲勞強(qiáng)度，本文基于殘余應(yīng)力的概述，分析和研究了應(yīng)用殘余應(yīng)力提升疲勞強(qiáng)度的實(shí)例，以期為相關(guān)人員提供借鑒。

關(guān)鍵詞：殘余應(yīng)力；汽車零件；疲勞壽命

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.24.027

0 前言

通常情況下，通過提升零件表面金屬的強(qiáng)度以及改善零件的表層狀態(tài)，如提升光滑度或者減小表層缺陷等，都可高效提升汽車零件的疲勞強(qiáng)度。而通過應(yīng)用零件表層的殘余應(yīng)力，可有效減少在汽車運(yùn)行過程中零件所負(fù)荷的拉伸應(yīng)力，進(jìn)而達(dá)到提高疲勞強(qiáng)度的效果。因此，本課題對于殘余應(yīng)力的研究具有現(xiàn)實(shí)意義。

1 殘余應(yīng)力的概述

1.1 作用

零件內(nèi)部的應(yīng)力往往是受外力的影響而產(chǎn)生的，若缺乏外力影響，此時(shí)的零件內(nèi)部也會(huì)存在著一定的應(yīng)力，而這就是所謂的殘余應(yīng)力[1]。舉例來說就是，假設(shè)有2根剛性梁，兩者之間使用4根彈簧進(jìn)行連接，兩端的彈簧為壓簧，而中間的2根則為拉簧。在這一受力系統(tǒng)之中，彈性力始終處于平衡狀態(tài)，也就是說壓力的總和與拉力的總和相等。此外，經(jīng)過某些工藝，如滾壓工藝或者噴丸工藝等處理之后，圓桿內(nèi)部也會(huì)產(chǎn)生相類似的殘余應(yīng)力。該種殘留在零件內(nèi)部并相互制衡的應(yīng)力，在與外力所產(chǎn)生的應(yīng)力進(jìn)行疊加后，就會(huì)使得外力相應(yīng)地增大或減少。而對于負(fù)荷著交變壓力的汽車零件而言，通過實(shí)現(xiàn)殘余應(yīng)力與交變應(yīng)力的疊加，可使平均應(yīng)力產(chǎn)生相應(yīng)的增大或減小。基于斷裂力學(xué)的基本理論知識，要想獲取較高的疲勞強(qiáng)度，首先要做的就是延后疲勞裂痕的產(chǎn)生，其后阻礙其擴(kuò)展和深入。根據(jù)相關(guān)研究可知，汽車零件疲勞裂痕的拓展抗力與殘余應(yīng)力之間存在著指向關(guān)系，隨著殘余應(yīng)力的增加，雖然疲勞裂痕所產(chǎn)生的抵抗力并未較大地增長，但是疲勞裂痕的抗拓展力卻大幅提升，從而極大地提升了汽車零件的疲勞強(qiáng)度。

1.2 產(chǎn)生原因

1.2.1 塑性變形

零件的塑性變形極有可能產(chǎn)生殘余應(yīng)力。當(dāng)某一零件表面壓有一個(gè)鋼球時(shí)，球體下端的材料就會(huì)產(chǎn)生塑性流動(dòng)，進(jìn)而會(huì)沿著球體的四圍被擠出。在球體移動(dòng)之后，塑性變形區(qū)域之下的材料則會(huì)產(chǎn)生往上反彈的趨勢，但由于已出現(xiàn)塑性變形情況的材料無法恢復(fù)到原先狀態(tài)，因而此處便生成了壓應(yīng)力，而上面則生成了拉應(yīng)力。此外，對零件進(jìn)行切削處理同樣會(huì)差生殘余應(yīng)力，尤其是當(dāng)零件出現(xiàn)磨損時(shí)，即便是研磨或者拋光等處理也會(huì)使得零件的表層內(nèi)形成40-60kg/mm?的殘余應(yīng)力。

1.2.2 滲碳與滲氮

借助滲碳或者滲氮等手段同樣可生成殘余應(yīng)力。相較于表面淬火，滲碳處理具有更為顯著的優(yōu)越性，其所產(chǎn)生的殘余應(yīng)力也遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過表面淬火，這是因?yàn)椋旱谝唬谶M(jìn)行滲碳處理時(shí)，要對零件的整體進(jìn)行加熱，而在表面淬火時(shí)，則要對表面進(jìn)行冷卻處理，借助溫差而產(chǎn)生殘余應(yīng)力，第二，表面馬氏體結(jié)構(gòu)的變化進(jìn)而產(chǎn)生殘余應(yīng)力，第三，表面淬硬的加強(qiáng)作用。而滲氮處理則能產(chǎn)生更大的殘余應(yīng)力。在進(jìn)行滲氮處理時(shí)，氮會(huì)與鐵以及相關(guān)的合金元素生成硬度較大的氮化物，使得表面體積出現(xiàn)膨脹進(jìn)而產(chǎn)生殘余應(yīng)力，雖然所產(chǎn)生的氮化物層較薄，但是所生成的殘余應(yīng)力卻十分之大。

除此之外，彎曲或扭曲桿件、對零件進(jìn)行不均勻的加溫或冷卻等處理同樣可以使零件產(chǎn)生殘余應(yīng)力，進(jìn)而有效提升汽車零件的疲勞強(qiáng)度。

2 應(yīng)用殘余應(yīng)力提升汽車零件疲勞強(qiáng)度的實(shí)例

2.1 彈簧

借助噴丸處理，不但可有效去除彈簧表層的氧化層，而且能讓彈簧表面發(fā)生塑性變形，進(jìn)而產(chǎn)生一定程度上的冷作硬化效果，而這也被稱作是噴丸強(qiáng)化。根據(jù)相關(guān)實(shí)驗(yàn)可知，要想提升彈簧的疲勞強(qiáng)度，主要依靠的不是噴丸的強(qiáng)化效果，而是彈簧表面的殘余應(yīng)力。對于彈簧或者板簧而言，當(dāng)其簧片的上表層收到拉伸應(yīng)力作用時(shí)，對其進(jìn)行噴丸強(qiáng)化處理，如此一拉便可有效提升彈簧表面的殘余應(yīng)力。以厚度為6.3㎜的彈簧鋼板為例，對三塊同樣規(guī)格的彈簧鋼板分別采用不同的工藝處理方式，即不噴丸處理、一般性噴丸處理以及應(yīng)力噴丸處理，根據(jù)結(jié)果顯示，經(jīng)處理后的彈簧鋼板的疲勞極限依次為47.5kg/mm?、72.5kg/mm和102.0kg/mm。由此可見，通過應(yīng)用殘余應(yīng)力，可有效提升彈簧鋼板的疲勞強(qiáng)度。

2.2 曲軸

由于曲軸的形狀具有一定的特殊性，因而其應(yīng)力的分布也呈現(xiàn)出不均勻的狀態(tài)。以某一經(jīng)過精細(xì)打磨后的滾壓圓角為例，其中，滾壓力為300kg，因滾壓形成的塑變層厚度為1.8mm，最終曲軸整體的疲勞性能較之之前提升了38%。

2.3 齒輪

在汽車的正常運(yùn)行過程中，由于受到外部荷載的影響，齒輪同樣會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)力。當(dāng)滲碳層較為薄弱時(shí)，此時(shí)的齒芯部分大面積的斷面尚未完成滲碳，因而齒輪芯部的殘余應(yīng)力相對較小，但也足夠應(yīng)對平衡表面相對較高的殘余應(yīng)力，而當(dāng)滲碳層較為厚重時(shí)，此時(shí)的齒輪芯部的面積就會(huì)有所減少，但與此同時(shí)，齒輪外部表面的殘余應(yīng)力也會(huì)相應(yīng)降低。基于殘余應(yīng)力的相關(guān)理論知識可知，滲碳層的厚度不應(yīng)過大，齒輪芯部位置的強(qiáng)度也不應(yīng)過大，這樣一來，齒輪才能具備較高的疲勞強(qiáng)度。此外，由于齒輪表面具有一定程度上的麻點(diǎn)危險(xiǎn)，因此，沿著齒輪表面的滲碳層應(yīng)相對較厚，尤其是齒輪的基圓面。

3 結(jié)論

總而言之，基于殘余應(yīng)力的作用方式和產(chǎn)生原因，通過探究殘余應(yīng)力的具體應(yīng)用實(shí)例可知，通過應(yīng)用殘余應(yīng)力，可有效提升部件的疲勞強(qiáng)度，進(jìn)而大大延長部件的使用壽命。因此，汽車行業(yè)相關(guān)技術(shù)人員必須提高對殘余應(yīng)力的重視程度，通過采用有效有效手段，發(fā)揮殘余應(yīng)力作用，從而提升汽車零件的疲勞性能。

參考文獻(xiàn)：

[1]何少杰，楊文玉，郭步鵬.機(jī)加工表面殘余應(yīng)力及其疲勞壽命評價(jià)的研究進(jìn)展[J].表面技術(shù)，2015，44（06）：120-126+132.

作者簡介：雷科（1986-），男，工學(xué)學(xué)士，工程師，研究方向：機(jī)械人工智能、汽車典型零部件疲勞與優(yōu)化、高校學(xué)生資助管理。