王小海,劉國強,楊俊峰,王 磊,潘樹民,王艷麗
(中國兵器內蒙古第一機械集團股份有限公司,內蒙古 包頭 014030)
零件抗疲勞制造是一門跨學科的研究領域,它涉及到眾多要素的影響,如加工品質、過載、高周疲勞、低周疲勞、腐蝕、熱環境等[1]。同時,疲勞學還與數學、物理、化學和金屬學等學科有著密切的聯系。疲勞學不僅關注材料的微觀結構變化,也研究其宏觀表現。在疲勞學的研究中,機理和理論的研究與實驗科學的分析同樣重要。
國際標準化組織于1964年在《金屬疲勞試驗的一般原理》中定義了“疲勞”一詞,強調了高疲勞強度和低裂紋擴展速率是結構件獲得抗疲勞性的重要保證。美國試驗與材料協會進一步細化了這一定義,指出在某一點或某些點承受擾動應力,并在多次循環擾動作用后形成裂紋或完全斷裂的過程,稱為疲勞[2-3]。疲勞學主要研究在交變載荷作用下材料、結構的強度-應力-壽命之間的交互關系[4]。即使應力值沒有超過材料的疲勞極限,甚至低于彈性極限,材料或結構也可能在重復的交變載荷下發生破壞,這就是疲勞破壞。為了提升材料的疲勞性能,延長構件的使用壽命,學者們提出了抗疲勞制造技術理念:在零件結構和材料不變的前提下,以改變微觀結構、應力分布狀態為技術路徑,實現零件疲勞壽命提升的目的。
美國早在1948年就針對抗疲勞機械加工技術開展了研究工作,主要針對2024鋁合金、4340超高強度鋼、Ti6Al4V鈦合金以及Inconel 718高溫合金等。20世紀70年代初,美國空軍材料實驗室發布了《機械加工構件表面完整性指南》,標志著抗疲勞制造技術的初步形成[5]。美國F-15、F-16等戰機的壽命達到了5 000飛行小時也得益于美國空軍頒布的軍用飛機安全-壽命設計規范。20世紀70年代以來,包括復合表面強化技術、低應力精密制造技術等的抗疲勞制造技術得到了長足發展。其中,表層硬化工藝的應用能夠使結構件的疲勞壽命提高20~40倍,超聲噴丸和激光沖擊等技術在抗疲勞制造方面的應用也取得了顯著的成果。據報道,應用抗疲勞制造的B-1飛機機翼作動筒可以有效實現零部件的減重,相比于Ti6Al4V合金,AF1410超高強度鋼部件可以減重10.6%,而同時可以降低成本30%以上[6]。
我國也開展了大量的抗疲勞制造研究工作,并取得了一些顯著的成果。例如,通過采用抗疲勞制造技術,超高強度鋼30CrMnSiNi2A制造的機翼主梁的壽命得到了顯著提高[7]。經過抗疲勞加工后,其疲勞裂紋萌生的安全壽命達到了23 651飛行小時,比之前的4 650飛行小時有了大幅度提升[8]。此外,在先進材料制造領域,高溫合金K4169構件表面采用復合表面強化手段后,其殘余壓應力得到了顯著提升,有效延長了高溫合金構件的疲勞壽命[9]。
然而,盡管取得了一些成果,但抗疲勞制造仍然面臨著許多挑戰。過早的疲勞失效是目前許多主承力構件面臨的主要問題。為了解決這些問題,需要進一步加強抗疲勞制造技術的研究和應用推廣,以實現更長壽命和高可靠性的材料和結構。
影響疲勞壽命的因素非常復雜,涉及所采用材料的強度、零件的尺寸效應、表面效應,如表面殘余應力、表面顯微組織和缺口效應,以及使用環境下的腐蝕狀況等[10]。通常情況下如構件和結構的表面狀態、缺口形式等對材料或零件的靜態特性影響微小的因素,對疲勞壽命的影響卻起到了至關重要的作用。因此,為了更好地探索抗疲勞制造的有效途徑,需深入了解和把握各種因素對疲勞強度的影響規律。
抗疲勞制造是一種先進制造技術與理念的集成,其涉及結構件全周期制流程[11]。例如,在表層硬化技術領域中,主要涉及以接觸疲勞為主要失效模式的典型結構件;在機械加工技術領域,主要關注以表面完整性為主要要素的典型結構件;而在表層組織再造改性技術領域,則聚焦于以疲勞為主要失效模式的構件。
抗疲勞原則和“無應力集中”的抗疲勞概念是高強度合金構件的設計、制造加工以及組合裝配過程中必須遵循的法則,其通過降低應力集中的抗疲勞設計方法和制造技術來實現抗疲勞制造。
抗疲勞制造學融合了單一學科的基礎性與多學科交叉性,是一整套系統提升結構件疲勞性能的關鍵技術。包括基礎研究領域數學-物理-化學交叉及其耦合演化規律和原理;在應用基礎領域,抗疲勞表面演化、重構中所蘊含的科學規律和原理;以及涉及抗疲勞技術支撐路徑的各種科學原理等。此外,在工程實踐領域,還涉及表面完整性指標的表征、評價和檢測技術等。除了常規的形位、尺寸精度、表面粗糙度、硬度等信息外,還需要對疲勞、應力腐蝕、微觀組織結構、應力場及其他性能進行深入的檢測和研究[12]。在進行這些檢測時,除了使用X射線儀等無損檢測儀器外,還需要借助電子顯微鏡如透射電子顯微鏡(TEM)、掃描電子顯微鏡(SEM)、高分辨率電子顯微鏡(HRTEM)等進行細致的觀察和分析。
1)疲勞強度-靜拉強度-硬度交互關系。
就常見的鋼鐵材料而言,其疲勞強度與靜拉強度和硬度之間存在著一定的比例關聯。通過這種關聯,可以推算出材料的疲勞強度數值。
2)微觀組織。
不同的熱處理工藝參數會導致不同的組織狀態與力學性能,進而產生不同的的疲勞強度。
3)表面狀態。
金屬零部件表面完整性指標的變化都可能導致疲勞壽命的顯著差異。在一定條件下,表面狀態越好,其疲勞性能也就越高。
4)應力集中。
應力集中是一個關鍵因素,應力集中區域通常是疲勞裂紋的起源。隨著應力集中系數的增加,其疲勞開裂的傾向也就越大。
5)尺寸效應。
隨著零部件尺寸的增大,形狀相似但大小不同的零部件的疲勞強度通常呈下降趨勢。一般來說,由于尺寸的增加,其材料性能的連續性在下降,導致疲勞性能的降低。
6)殘余應力。
存在于結構件表面的殘余應力對其疲勞壽命有著雙重作用,即在優化零部件內部應力分布的同時,也會提升結構件的疲勞性能。特別值得注意的是,零部件表層的殘余壓應力對于提升疲勞強度,尤其是對有缺口的零部件,具有顯著的效果[13]。
7)環境介質。
環境介質(如強酸、強堿、高鹽等腐蝕環境)對結構件的疲勞性能有著不可忽視的影響。腐蝕介質會侵蝕金屬表面晶界,導致金屬結構件疲勞性能的大幅下降。這種由腐蝕介質引發的疲勞是金屬在特定環境下的一種重要失效模式。
提高金屬材料的抗疲勞性能,可以從以下4個方面進行。
1)進行優化選材和設計:根據實際需求和工作環境,選擇具有優良抗疲勞性能的金屬材料,并注重零件的細節設計。在設計中,應關注減少可能導致應力集中的因素,從而提高整體結構的穩定性。同時,要重視加工精度和表面粗糙度的控制,確保零件的表面質量,進一步增強其抗疲勞性能。
2)細化顯微組織和提高冶煉精度:采用晶粒細化措施,細化表層組織,降低非金屬夾雜物含量。這可以提高材料的整體均勻性和連續性,進一步增強其抗疲勞性能。同時,提高冶煉精度也是確保材料質量的關鍵步驟。
3)引入殘余壓應力:通過特定的處理方法,在金屬材料的表層,人為引入高殘余壓應力。這種壓應力可以有效地抵消部分外部應力,降低應力集中的程度,從而延長疲勞壽命。
4)梯度組織強韌性匹配:在保證心部材料強度滿足要求的前提下,通過適當的熱處理、表面強化等方法,來提高表層的靜態力學性能。在循環應力作用下,結構件的表層受到外加載荷的作用產生局部塑性形變,從而達到延長疲勞壽命的目的。
物理方法通過處理使得零部件表層發生的相變而不是改變表層的化學成分來提升零件的疲勞強度。常見的表層物理處理工藝包括火焰淬火、高頻感應加熱淬火和中頻感應加熱淬火等。隨著感應熱處理應用領域逐漸廣泛,感應淬火以其“高效、易控制、低能耗、自動化程度高”等特征,從先前單一的提高耐磨性發展到提高抗彎扭以及疲勞強度等工況,取得了一定的進展[14]。曲軸、軋輥、齒輪等重要基礎元件均采用感應熱處理來提升結構件的疲勞強度和服役性能。目前,隨著感應熱處理技術的推廣,火焰淬火技術已被感應淬火所替代。近年來,超聲波、雙頻感應加熱淬火等新方法也得到了發展[15-16]。特別是雙頻感應加熱淬火工藝,克服了傳統滲碳工藝“能耗高、周期長、變形大”等不足,美國、德國等先進制造國家開展了齒輪、軋輥等重要基礎元件雙頻感應加熱淬火工藝研究,找到了提升基礎元件抗疲勞性能的技術路徑[17]。
通過物理改性火焰熱處理、感應熱處理等強化方法可以有效細化淬硬層中的馬氏體尺寸,在相變過程中獲得具有高強韌性能的微觀組織。與常規固溶相變強化相比,物理改性后的結構件所獲得的硬度和強度更高,更易獲得較高的疲勞強度。此外,物理改性技術可使結構件淬硬層中產生較大的殘余壓應力,有效抑制裂紋的萌生,因而顯著提高結構件的疲勞性能。
化學改性技術是提高結構件抗疲勞性能的一條重要技術手段,其主要由活化-分解-吸附-擴散等階段,利用化學改性方法引入碳、氮等強化元素來改變材料表面的化學成分,這些強化元素在擴散過程中會形成強化元素梯度分布的擴散層,顯著提高結構件表層的硬度與強度,增加處理表層的殘余壓應力,有利于增強材料的疲勞性能。
化學改性方法主要包括滲碳、滲氮、復合硬化工藝、離子注入等工藝。K.Dybowski等[18]研究了AMS6265齒輪鋼在950 ℃低壓滲碳后油淬和氣淬兩種淬火方式對齒輪表面的殘余應力和熱處理畸變的影響規律。研究結果表明,AMS6265齒輪鋼滲碳后熱處理過程中,采用氣體淬火可有效降低齒輪表面的殘余應力,并大幅度降低熱處理畸變,減少齒輪后續磨削加工量,進而提高疲勞性能。J.F.Canon[19]對滲氮層的微動性能進行了研究,發現當表面機械強度提高時,其表面損傷程度會相應降低。當化學改性后的結構件表層獲得較高的殘余壓應力和屈服強度時,可有效降低結構件表面單位面積的載荷,延長了裂紋形核時間,降低了擴展速率,結構件表面的磨損大幅度降低,有利于提高結構件的微動疲勞性能。X-20M齒輪鋼經復合硬化工藝后,表面硬度可達68~72 HRC,較傳統滲碳工藝相比,其彎曲疲勞壽命提升約100倍。研究結果表明:經離子注入后的GCr15軸承鋼90%置信度下接觸疲勞壽命提高99.6%,顯著提高GCr15軸承鋼結構件疲勞性能。
采用形變強化工藝方法,可以使結構件表層產生彈塑性變形層,使得表層微觀組織發生變化,導致產生較高殘余壓應力,進而改善結構件疲勞性能。這種壓應力有助于減少疲勞裂紋的形成,并抑制疲勞裂紋的早期擴展[20-21]。
機械改性方法是抗疲勞制造中的重要手段,包括滾壓、擠壓、噴丸、干涉配合和拋光處理等[22-27]。其中,結構件噴丸、擠壓、滾壓等強化工藝在改變疲勞強度和服役性能方面應用廣泛[28-29]。在噴丸技術應用方面,齒輪、葉片等大型復雜結構件均采用噴丸工藝作為表面強化的關鍵手段,在提高結構強度的同時,也提升了結構件的疲勞性能。在擠壓技術應用方面,包括芯棒擠壓和開縫襯套擠壓技術在內的孔冷擠壓強化工藝,已被廣泛應用于軍用和民用飛機,其抗疲勞效果顯著[30]。在滾壓技術應用方面,因滾壓強化屬于無切削損傷的表面強化技術,在對結構件滾壓過程中,材料表面及其亞表面產生塑性變形,達到顯微組織冷硬化和細晶強化的目的,提升了結構件的疲勞性能[31]。在擠壓技術研究方面,研究人員通過對GH4169高溫合金結構件進行機械擠壓試驗發現,擠壓強化可顯著降低結構件孔壁表面的粗糙度,減緩孔壁表面的應力集中程度,從而實現提升結構件疲勞性能的目的[32]。在干涉配合方面,目前干涉配合對結構件疲勞性能的影響研究尚不充分,因此需加強強化過程-裝配過程-載荷條件交互關系研究,建立強化-裝配-載荷耦合關系,為研究多要素影響下的裝配過程對抗疲勞性能增益提供支撐。在拋光處理方面,研究人員研究了不同工藝流程對結構件疲勞性能的影響。研究結果表明,銑削-拋光-噴丸-拋光-復合工藝可實現結構件疲勞性能的最大化,且裂紋萌生位置位于結構件的亞表面[33]。
高能束處理技術以其獨特的能量密度特性,在物理、化學和機械等多個方面展現出顯著的效果。材料局部表面施加以極高密度的能量,可以使處理表面發生特殊的物理、化學變化,從而顯著提高材料的抗疲勞性能。由于其獨特的優勢,高能束處理技術具有廣闊的發展和應用前景[34]。
目前,激光噴丸、激光相變強化、激光熔凝、激光熔敷及離子注入等高能束處理技術正在被深入研究并應用于抗疲勞制造。這些技術具有巨大的發展潛力,為抗疲勞制造提供了新的解決方案。激光相變硬化工藝在提高材料疲勞性能方面表現出顯著的效果。它通過改變材料表面的物理狀態,強化材料并提高其疲勞性能。同時,處理后的表層內應力為壓應力,有助于提高材料的疲勞壽命。在提高金屬材料疲勞壽命方面,激光沖擊已經展現出取代傳統噴丸處理的趨勢[35]。
離子注入技術通過在材料中引入固溶強化、析出強化和壓應力來提高材料的抗疲勞壽命。這種技術在提高精密結構件的抗疲勞性能方面發揮重要的作用,因為它能夠在保持零件尺寸精度和表面粗糙度的同時,實現抗疲勞性能的提升。
實際應用中,為了充分發揮各自的優勢和特點,獲得更好的抗疲勞效果,通常是多種抗疲勞制造方法復合使用。例如,干涉配合技術和帶襯套擠壓技術相結合的方法能夠顯著提高材料的抗疲勞性能。這種復合方法的應用前景廣闊,為抗疲勞制造技術的發展提供了新的思路和方向。
噴丸強化工藝作為一種有效的抗疲勞制造技術途徑,廣泛應用于航空、航天、汽車、運載等高端裝備制造領域。通過對結構件表層噴射彈丸,使表層在冷作硬化作用下產生殘余壓應力。結構件表面金屬晶體在高速運動的彈丸流不斷沖擊下,發生晶粒破碎、晶格歪扭并產生大量的高密度位錯[36]。表面金屬材料發生塑性變形,在結構件表層和亞表面形成殘余壓應力及應力梯度。噴丸強化時,鋼丸流反復向結構件表面沖擊產生2個方向的力:切向力造成表面彈塑性延伸;法向力引起赫之應力,造成一定深度內的最大切應力,引起該區域的彈塑性噴丸后塑性變形的保留與彈性變形的松弛,使結構件表層產生殘余壓應力[37]。
通過前期研究噴丸強度、彈丸直徑等工藝參數對齒輪疲勞壽命的影響發現,噴丸工藝會顯著改善材料的疲勞性能,提升幅度可達20%~30%,是延長齒輪服役壽命的重要工藝手段。研究人員對噴丸與未噴丸齒輪表面點蝕數量進行了研究,結果表明:噴丸強化可顯著提升齒面抗點蝕能力[38]。隨著噴丸強化工藝技術的不斷進步,數字化噴丸技術、激光噴丸技術、超聲噴丸技術等一大批先進噴丸技術得到應用,為提升結構件疲勞性能提供支撐。
高壓射流改性技術是近三十多年來迅猛發展的新技術之一,其具有“能量高、改性層深、應用范圍廣、零污染”等典型技術特征。其改性路徑為結構件表層在多種介質高速沖擊、碰撞下發生了彈塑性變形,產生了殘余壓應力,從而提高了結構件的周期疲勞強度。研究表明[39-40],對鎳基高溫合金GH4169結構件進行高壓射流改性,可產生殘余壓應力層深約為1 mm的壓應力梯度層,疲勞極限提升1倍以上,低周疲勞壽命可提升30%以上。
與傳統的噴丸強化相似,高壓射流改性工藝的強化作用也由組織強化和應力強化共同構成,可有效控制疲勞源的萌生和裂紋的擴展。高壓射流改性技術具有先進性和優勢,目前該技術的研究剛剛起步,理論和技術仍有待進一步發展和完善。
激光沖擊處理技術(Laser Shock Processing)是一種新型的表面強化技術,它利用高功率密度(GW/cm2)和短脈沖(ns量級)激光束在金屬材料或零件表層產生數百兆帕的殘余應力,從而提高金屬材料性能。由于其強化原理與噴丸相似,因此也被稱為激光噴丸(Laser Shock Peening)[41]。
短脈沖激光束作用于金屬表面時,激光能量被金屬表面吸收層吸收,并使表層金屬發生爆炸性氣化蒸發,產生高溫、高壓的等離子體。受到約束的等離子體產生沖擊波,這種高強度壓力的沖擊波作用于金屬表面并向內部傳播。沖擊波峰值壓力超過材料屈服強度時,材料表層就會發生應變硬化,并殘留很大的壓應力。
材料發生塑性變形的原因是在激光沖擊波作用下,沖擊區內產生平行于材料表面的拉應力,而當激光作用結束后,在沖擊區周圍材料的反作用下沖擊區產生了壓應力[42]。這種殘余壓應力可以降低交變載荷中的拉應力水平,從而提高疲勞裂紋萌生壽命。同時,殘余壓應力會導致裂紋的閉合效應,使疲勞裂紋擴展的有效驅動力降低[43]。
綜上所述,激光沖擊處理技術通過在金屬材料表層產生高強度壓應力,改善了金屬材料的抗疲勞性能和抗應力腐蝕能力,從而延長了金屬材料的使用壽命。
滾壓強化技術是結構件抗疲勞制造重要工藝,它可使結構件的強度得到提高,其產生的殘余壓應力則能消除結構件因機械加工、熱處理、焊接、激光切割、電鍍或硬化涂層形成的拉應力。滾壓過程中晶粒晶格的畸形在使用過程中不易產生裂紋擴展,從而提高零件的抗疲勞性能和抗應力腐蝕能力,延長零件使用壽命[44]。隨著滾壓技術的發展,超聲滾壓技術逐漸推廣,它克服傳統滾壓工藝“低效、過硬化、硬化層剝落”等瓶頸問題,有效提升結構件的抗疲勞性能。研究人員通過工藝模擬仿真與工藝驗證的方式驗證了超聲滾壓技術對提升結構件抗疲勞性能的作用。黃麗滿[45]研究了25CrNi2MoVA鋼超聲滾壓工藝,獲得了優化工藝并進行了疲勞性能試驗,其疲勞極限可達970 MPa,有效提升了該鋼種的疲勞性能。屈盛官等[46]研究了超聲表面滾壓加工對20CrMoH鋼摩擦磨損性能的影響,研究結果表明:超聲表面滾壓工藝可改善材料的表面質量,細化組織,提升表面硬度、殘余壓應力與耐磨性能,進而為提升抗疲勞性能提供支撐。
中國工程院趙振業院士指出,表面完整性是指通過控制加工工藝方法所形成的表面狀態,它涵蓋了制造過程中材料表面可能發生的各種改變及其對構件性能的影響。為了確保構件的表面完整性,必須發展和采用抗疲勞制造技術。抗疲勞制造的核心在于控制表面完整性,它以疲勞性能為主要目標,并采用先進的制造技術[47]。這與傳統的“成形”制造方法存在顯著差異。
應力集中是疲勞研究中的核心問題,主要來源于結構設計、制造加工以及使用環境的影響。局部細節設計的優化可以緩解結構設計中的應力集中;通過表面防護措施可以預防使用環境引發的缺陷,如腐蝕麻點。然而,制造加工所形成的刀痕、劃傷等缺陷常常會提高結構的應力集中系數,給零部件帶來極大的安全隱患。研究顯示[48],硬度越高的材料,其對應力集中越敏感,因而這類材料加工過程中產生的應力集中更為突出。在高硬度構件上,應力集中甚至可能超過抗拉強度,導致材料完全喪失抗疲勞性能。在疲勞失效的高強度構件中,超過80%的裂紋起始于刀痕、劃傷或夾雜物等缺陷處。
研究學者們對高強度構件的應力集中敏感問題與表面完整性加工進行了大量研究,涉及工藝參數、新工藝、模擬和預測以及基礎理論等多個方面。機械加工過程中,最終的精加工步驟(如磨削、鉸削、銑削等)對表面完整性起著決定性作用[49]。嚴重影響材料的使用壽命和可靠性的零部件表面損傷、表層組織和殘余應力場的變化均與切削過程中的熱、力以及環境因素等有關。
近年來,隨著新工藝技術的不斷發展,涌現出了許多先進技術,如高速銑削、車削、磨削、低應力磨削、預拉應力磨削技術、高能表面改性技術、表面超硬化技術、表面完整性評價和精密定量檢測技術以及加工過程的計算機模擬和預測技術等。這些新工藝技術具有多學科交叉的特點,融合了材料技術、制造技術、物理、化學、力學等多個領域的知識,形成了一種綜合性的工程學科領域[50]。
抗疲勞制造是一種先進的制造技術,同時也是一種全新的制造理念。這一理念覆蓋了構件制造的主要技術領域,包括表層硬化技術、機械加工技術以及表層組織再造改性技術等。在這些領域中,抗疲勞制造的應用旨在提高構件的疲勞性能,延長其使用壽命。
抗疲勞制造的理念強調在構件的設計、制造加工以及組合裝配的全過程中,都應遵循抗疲勞的原則,采用降低應力集中的抗疲勞設計方法和制造技術。
在過去的幾十年中,抗疲勞制造技術不斷創新發展,使構件的服役性能得到了顯著提升。然而,隨著高性能、小型化、輕量化、經濟可承受性和超高強度材料技術的發展,抗疲勞制造的重要性愈發凸顯。特別是美國國防部在20世紀末提出的CAIV(Cost as an Independent Variable)理念,即性能與費用同等重要的經濟可承受觀念后,抗疲勞制造顯得尤為重要。
作為一個具有完整制造體系的國家,我國在飛機、車輛、艦船及其動力裝置、各種精密機械等領域均需要實現抗疲勞制造。這不僅有助于提高產品的性能和可靠性,還有助于推動我國制造業的轉型升級和高質量發展。隨著技術的不斷進步和應用領域的拓展,抗疲勞制造將迎來更加廣闊的發展前景和更高的技術平臺。
抗疲勞制造的科學內涵十分復雜,涉及眾多科學問題和方法的解決。在構筑抗疲勞表面時,需要研究物理、化學及其耦合演化規律和原理;在構件服役過程中,需要探索抗疲勞表面演化、重構的各種科學規律和原理;在設計抗疲勞制造方法時,也需要探究各種科學原理。
此外,抗疲勞制造還涉及表面完整性表征、評價和檢測技術。除了常規的形位、表面粗糙度、硬度等信息外,還需要對疲勞性能、應力腐蝕、組織結構、應力梯度以及其他表面完整性性能進行檢測。
抗疲勞制造技術在航空、航天、車輛、鐵路交通和風電等領域中發揮著至關重要的作用。通過對抗疲勞制造技術的現狀和發展趨勢進行全面的分析,可以深入了解該領域的最新進展和未來的發展方向。隨著智能制造技術和新材料研發的不斷進步,有望進一步擴展抗疲勞制造技術的應用領域,并不斷提升其性能和可靠性。期待該領域的研究與實踐能夠不斷取得創新成果,為相關工業領域的進步和發展做出更大的貢獻。