表面粗糙度對疲勞壽命的影響分析

鄒德志 李駿 徐卉 鄒敏華 何銘雪 韓長亮

（1.一汽解放商用車開發(fā)院，長春 130011；2.中國第一汽車集團有限公司研發(fā)總院，長春 130011）

1 前言

隨著疲勞試驗研究的不斷發(fā)展，有限壽命設(shè)計在制造業(yè)的廣泛開展以及新工藝、新材料的研發(fā)，都要求提供準確可靠的疲勞性能數(shù)據(jù)[1]，而表面粗糙度是影響零件疲勞性能的重要因素。表面粗糙度是表面微觀形狀誤差，是切削過程中產(chǎn)生的微觀不平度，是反應微觀幾何形狀誤差的重要指標[2]。一些文獻資料中提出通過提高零件表面粗糙度的方法來提高零件的疲勞壽命，齒輪齒面經(jīng)光整加工后，使用壽命大幅提高[3]；常溫工作條件下，表面粗糙度數(shù)值越高，切口效應就越大，應力集中系數(shù)越大，疲勞壽命越低[4]；旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗疲勞壽命與表面粗糙度有明顯相關(guān)性，降低試樣表面粗糙度，能夠有效提高試樣旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞壽命，并且平行于疲勞應力的機械加工紋理比垂直于疲勞應力的機械加工紋理具有更小的危害性[5]。

2 軸向拉壓疲勞試驗

2.1 試驗方法

試驗方法執(zhí)行GB/T 3075—2008《金屬材料 疲勞試驗軸向力控制方法》[6]，采用交變加載形式，應力比r=-1。

為了保證試樣斷裂位置的一致性，試驗采用大雙圓弧圓形橫截面試樣，試樣尺寸見圖1，并且試樣分別由3個不同單位加工，以保證表面粗糙度的差異性。

為了消除不同試驗設(shè)備精度對試驗結(jié)果的影響，試驗在同1臺高頻試驗機上進行，試驗設(shè)備為Zwick150 kN高頻試驗機，試樣裝夾情況見圖2，設(shè)備精度誤差小于最小載荷的0.5%。

試樣材料為40CrH，調(diào)質(zhì)處理，硬度為264～278 HV 10。

試驗形式為定載荷疲勞試驗，試驗最大應力為490 MPa。

2.2 試驗結(jié)果

3組試驗樣品經(jīng)最大載荷490 MPa的交變載荷試驗后的疲勞壽命數(shù)值、對數(shù)壽命、均值結(jié)果見表1。為了保證數(shù)據(jù)的可靠性，試驗樣本數(shù)取20個。

2.3 疲勞數(shù)據(jù)處理

利用Minitab軟件工具對表1中3組疲勞數(shù)據(jù)進行正態(tài)分布分析，求得3組數(shù)據(jù)的均值及標準差，見圖3。由結(jié)果可以看出3組樣品疲勞壽命值大小關(guān)系為J組樣品＞X組樣品＞G組樣品；X組樣品疲勞壽命的離散性要好于G組、J組樣品疲勞壽命。

3 粗糙度測試與分析

3.1 粗糙度測試

利用設(shè)備型號為Taylor Hobson I60粗糙度儀測量每組20個試驗樣品的表面粗糙度，測量結(jié)果見表2，G組樣品沒有拋光，J組、X組樣品經(jīng)過拋光處理。

表1 疲勞壽命結(jié)果

3.2 粗糙度數(shù)據(jù)處理

同樣利用Minitab軟件工具對表2中測得的3組疲勞試樣的表面粗糙度Ra值進行正態(tài)分布分析，求得3組數(shù)據(jù)的均值及標準差，見圖4。由結(jié)果可以看出3組樣品粗糙度值大小關(guān)系為J組樣品＜X組樣品＜G組樣品；粗糙度值離散性比較，J組、X組樣品粗糙度的離散性差別不大，均明顯優(yōu)于G組樣品的粗糙度離散性。

表2 粗糙度測量結(jié)果

4 分析與討論

4.1 試驗結(jié)果分析

3組試驗樣品的材料是同一批次材料，熱處理也為同批次處理，保證了原材料和熱處理的一致性；在同一臺高頻試驗機上進行試樣，基本上消除了試驗設(shè)備的誤差對疲勞壽命差異的影響；試驗樣本取20個，避免了少樣本引起試驗數(shù)據(jù)過于離散，保證試驗數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性及可靠性。通過以上對影響試驗結(jié)果的各個環(huán)節(jié)的控制，排除其他影響疲勞壽命差異的因素，只體現(xiàn)表面粗糙度對疲勞壽命的影響。

由圖3、圖4可以看出，經(jīng)過拋光處理的J單位試驗樣品的表面粗糙度值Ra最小，離散性最小，其疲勞壽命值最高，離散性相對較小；經(jīng)過拋光處理的X單位試驗樣品的表面粗糙度值Ra居中，離散性控制得很好，其疲勞壽命值居中，離散性最小；未經(jīng)過拋光處理的G單位試驗樣品的表面粗糙度值Ra最差，離散性最大，其疲勞壽命值最低，離散性也最大。

以上結(jié)果表明，樣品表面粗糙度對疲勞壽命的影響很大，壽命的離散性也受到樣品表面粗糙度值離散性的影響。并且同為拋光的試樣樣品，粗糙度控制得不一樣疲勞壽命也存在差異，圖5、圖6分別為粗糙度、疲勞壽命對比。

4.2 缺口效應

疲勞樣品表面機加工留下的刀痕，如果不經(jīng)拋光處理或者拋光質(zhì)量不好，會在樣品表面留下類似缺口一樣深淺不一的溝痕，對疲勞壽命影響較大。

標準疲勞樣品表面均需拋光處理，而實際零件的表面加工方法則多種多樣，表面加工粗糙相當于存在微缺口，在零件承載時就會產(chǎn)生應力集中現(xiàn)象。無論零件承受彎曲載荷、扭轉(zhuǎn)載荷還是復合作用載荷，都是零件表面應力最大，所以疲勞源多從表面開始，因此表面質(zhì)量不同，其抗疲勞的能力也不同，粗糙表面導致疲勞強度降低[7]。

缺口造成應力應變集中，這是缺口的主要效應。應力集中程度大小取決于缺口的幾何參數(shù)，包括缺口的形狀、深度、角度及根部曲率半徑等，其中以根部曲率半徑影響最大，缺口越尖，應力集中越明顯。

5 結(jié)論

a.經(jīng)過拋光處理樣品的粗糙度值明顯高于未經(jīng)拋光樣品的粗糙度值，并且粗糙度越小的樣品，其疲勞壽命越高；同時經(jīng)過拋光處理的J組、X組樣品的粗糙度值離散性較小，疲勞壽命值較未拋光G組樣品的疲勞壽命值要收斂。

b.對比J組、G組樣品的粗糙度值的離散性大小與疲勞壽命的離散性大小，可以看出粗糙度控制到較低水平時，疲勞壽命對粗糙度的敏感性降低，數(shù)據(jù)離散性反而增大。

c.同樣經(jīng)過拋光處理的樣品，由于拋光質(zhì)量不同，對疲勞壽命影響明顯，拋光后表面粗糙度值越小的樣品，其疲勞壽命越高。

d.控制疲勞試樣加工工藝，特別要規(guī)范表面拋光工序，保證試樣表面粗糙度質(zhì)量，規(guī)避表面加工痕跡對疲勞性能的影響，可以獲得可靠穩(wěn)定的疲勞試驗數(shù)據(jù)。