疲劳残余应力

喷丸强化残余应力对疲劳性能和变形控制影响研究进展摘要：喷丸强化是一种机械表面强化技术，使用喷丸强化技术能够让机械零件的表层出现形变硬化，减少疲劳应力引发的微小裂纹以及裂纹的扩大，可以引入较高的残余压应力，这样能够将机械零件的抵抗疲劳断裂和抗应力腐蚀开裂的能力提高。

同时，喷丸强化残余应力在机械零件的变形控制方面有较大的影响，合理的残余应力可以提升变形控制能力，降低零件制作的变形率。

因此，本文对喷丸强化残余应力对疲劳性能和变形控制的影响进行分析，希望为相关人员提供参考。

关键词：疲劳性能；变性控制；影响；喷丸引言喷丸是一门普遍应用且成效突出的金属零构件表面冷加工方法,其具有多种功能分别为表面清理、成形、校形、机械强化，能够增加飞机、舰艇、车辆设备中齿轮、轴承、弹簧、涡轮盘等各类机械零件的使用期间的防锈能力。

通过喷丸强化处理使工件表面进行形变硬化,并引入更多的残余压应力使得表面组织结构更加细化,从而降低疲劳应力影响下表面微裂纹的产生，并及时有效控制微小裂纹的扩大,以便于增强机械零部件的耐疲劳断裂能力和耐残余应力侵蚀破裂的能力。

喷丸工艺主要是通过小弹丸的喷射撞击工件表面,使在一定温度下形成韧性和塑性变形,从而产生理想的微观结构和残余应力分布,以增加其硬度和表面的耐应力侵蚀能力。

通常塑性变形的层厚在0.1~0.8mm左右,具体取决于所选工艺参数。

在喷丸强化过程中,喷丸强度越大,获得的残余压应力越大且残余压应力层越深,同时带来的宏观变形也就越大。

一、喷丸强化的工艺原理及用途（一）喷丸强化的工艺原理喷丸强化是一种金属材料冷处理过程,使用无数小圆形的钢丸不断捶击金属材料零部件表层。

每粒钢丸在敲打的金属材料零部件上,就犹如用一只小型的棒子捶击金属表面一般,在工件表层出现小压痕或塌陷。

而由于造成的塌陷,在金属材料表层上必定会发生热拉伸。

表层下缩小的晶粒力使表层恢复到原有形态,由此构成一种在较高压缩力影响下的半球,并由此与大量凹陷叠加组成均匀分布的残余高压应力层。

残余应力的测试标准残余应力是指在物体内部或表面存在的一种应力状态，它是在物体内部或表面上由于加工、焊接、热处理等工艺过程中产生的应力。

残余应力的存在会对材料的性能和使用寿命产生一定的影响，因此对残余应力进行测试是非常重要的。

下面将介绍残余应力的测试标准及相关内容。

1. 测试方法。

残余应力的测试方法有很多种，常见的包括X射线衍射法、光栅法、中子衍射法、电子衍射法等。

其中，X射线衍射法是应用最为广泛的一种方法。

通过X射线衍射仪器可以测定材料内部的应力状态，得到残余应力的大小和分布情况。

2. 测试标准。

在进行残余应力测试时，需要遵循一定的测试标准，以保证测试结果的准确性和可靠性。

国际上常用的残余应力测试标准有ASTM E837-13、ISO 2360:2003、GB/T 2970-2016等。

这些标准对于测试方法、设备精度、样品制备、测试程序、数据处理等方面都有详细的规定，使用者可以根据实际情况选择合适的标准进行测试。

3. 测试样品。

在进行残余应力测试时，选择合适的测试样品对于测试结果的准确性至关重要。

通常情况下，可以选择金属材料、焊接接头、热处理件等作为测试样品。

对于不同材料和工艺的测试样品，需要根据标准要求进行制备和处理，以保证测试的有效性。

4. 测试结果。

残余应力测试的结果通常以应力大小和分布图形式呈现。

通过对测试结果的分析，可以了解材料内部或表面的应力状态，为进一步的工艺改进和材料设计提供参考依据。

同时，测试结果也可以用于评估材料的质量和可靠性，对于产品的使用和维护具有重要意义。

5. 应用领域。

残余应力测试在航空航天、汽车制造、电子设备、建筑结构等领域都有着广泛的应用。

通过对材料残余应力的测试，可以有效地预防材料的疲劳破坏、断裂和变形，提高产品的使用寿命和安全性，对于保障工程质量和产品质量具有重要意义。

6. 结语。

残余应力的测试标准对于保证测试结果的准确性和可靠性至关重要。

通过遵循相关的测试标准和方法，可以得到准确的残余应力测试结果，为材料的设计和工艺改进提供科学依据。

焊接残余应力对构件的危害是1、对结构刚度的影响当外载产生的应力与结构中某区域的残余应力叠加之和达到屈服点时，这一区域的材料就会产生局部塑性变形，丧失了进一步承受外载的能力，造成结构的有效截面积减小，结构的刚度也随之降低。

2、对受压杆件稳定性的影响当外载引起的压应力与残余应力中的压应力叠加之和达到屈服点口。

，这一部分截面就丧失进一步承受外载的能力。

这就削弱了构件的有效截面积，并改变了有效截面积的分布，降低了受压杆件的稳定性。

3、对静载强度的影响没有严重应力集中的焊接结构，只要材料具有一定的塑性变形能力，残余应力不影响结构的静载强度。

反之，如材料处于脆性状态，则拉伸残余应力和外载应力叠加有可能使局部区域的应力首先达到断裂强度，导致结构早期破坏。

4、对疲劳强度的影响残余应力的存在使变载荷的应力循环发生偏移。

这种偏移，只改变其平均值，不改变其幅值。

结构的疲劳强度与应力循环的特征有关，当应力循环的平均值增加时，其极限幅值就降低，反之则提高。

因此，如应力集中处存在着拉伸残余应力，疲劳强度将降低。

5、对焊件加工精度和尺寸稳定性的影响机械加工把一部分材料从焊件上切除时，此处的残余应力也被释放。

残余应力原来的平衡状态被破坏，焊件发生变形，加工精度受影响。

6、对应力腐蚀开裂的影响应力腐蚀开裂是拉伸残余应力和化学腐蚀共同作用下产生裂纹的现象，在一定材料和介质的组合下发生。

应力腐蚀开裂所需的时间与残余应力大小有关，拉伸残余应力越大，应力腐蚀开裂的时间越短。

焊接残余应力消除方法有：利用锤击焊缝区来控制焊接残余应力焊后用小锤轻敲焊缝及其邻近区域，使金属展开，能有效地减少焊接残余应力。

利用预热法来控制焊接残余应力构件本体上温差越大，焊接残余应力也越大。

焊前对构件进行预热，能减小温差和减慢冷却速度，两者均能减小焊接残余应力。

利用“加热减应区法”来控制焊接残余应力焊接时，加热那些阻碍焊接区自由伸缩的部位，使之与焊接区同时膨胀和同时收缩，就能减小焊接应力，这种方法称为“加热减应区法”，加热的部位就称之为“减应区”。

表面强化后梯度结构与残余应力对疲劳寿命的影响
李国禄;李少凡;董丽虹;王海斗;靖建农
【期刊名称】《表面技术》
【年(卷),期】2019(48)9
【摘要】表面强化技术使零件表层结构呈梯度分布并产生较高的残余压应力,可有效提高零件的使用寿命。

近年来,表层梯度结构与残余应力对零件疲劳寿命的影响机理成为研究热点。

综述了梯度结构与残余应力及其松弛对材料疲劳性能影响的新进展。

材料经表面强化后,其表层晶粒明显细化,尺寸沿深度方向呈梯度分布,促使裂纹源转移至硬化层内部。

残余应力与外力叠加,降低了零件的实际受力,从而影响零件的疲劳寿命,然而目前尚不能从机理层面对其进行揭示。

对于残余应力松弛,目前的主要问题在于松弛模型的建立尚未完善。

此外,在裂纹萌生阶段,梯度结构与残余应力均对零件疲劳强度有重要的影响,二者中哪个因素在疲劳过程中起到主导作用还未可知。

【总页数】11页(P1-10)
【作者】李国禄;李少凡;董丽虹;王海斗;靖建农
【作者单位】河北工业大学;陆军装甲兵学院;哈尔滨工程大学
【正文语种】中文
【中图分类】TG174.4
【相关文献】
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第11卷第4期湖　北　工　学　院　学　报1996年12月Vol.11No.4　Journa l of Hube i Polytechn ic Un iversity D ec.1996残余应力对疲劳裂纹扩展的影响熊健民　毛为民　余天庆;机械工程系Γ摘　要　分析了残余应力的产生及其对裂纹疲劳扩展的影响1残余压应力的存在提高了疲劳寿命Κ残余拉应力则起相反的作用1文中对残余应力孔的疲劳特性作了具体的研究和分析1关键词　残余应力Μ疲劳裂纹扩展Μ残余应力孔中图法分类号　O346123常幅载荷作用下Κ影响裂纹扩展的主要因素有Π施加载荷的应力比、应力强度因子幅值、加载频率、温度、残余应力等等1变幅载荷作用时超载的影响也很显著[1、2]1在工程实践中Κ常常要遇到对超龄的大型结构;如铁路钢桥Γ进行修复和延长寿命的问题Κ而这些结构又不便于卸下到工厂去进行处理Κ只能在现场进行维修1这些大型构件经过长期的负载工作Κ往往已出现宏观裂纹1在进行彻底更换之前Κ必须采取一定的止裂措施Κ使其裂纹在这段时间内的扩展被抑止Κ以保证必要的安全1采取的止裂手段Κ较简单易行的是提高试件表面的残余压应力Κ即进行各种旨在增加残余压应力的处理1因此Κ具体研究残余应力对疲劳裂纹扩展的影响Κ有一定的实际意义11　残余应力的产生钢材产生残余应力的原因很多Κ诸如金相组织的不均匀Κ各部的组织及成分不同Κ晶粒的向位不同Κ各部的弹性模量E有差异Κ受载时各部材料屈服时间前后不同等等1111　受载情形材料受载后Κ局部的应力达到屈服极限Κ于是出现局部塑性区域Κ塑性区的应力不再继续增大Κ而应力尚低于屈服极限的区域仍具弹性1卸载后塑性区的材料不再恢复Κ仅弹性区的材料恢复1若是试样原来受的是拉伸载荷Κ则弹性区的材料于恢复时要收缩Κ但受到不能再恢复的塑性区材料的制约Κ不得自由收缩Κ因而弹性区的材料产生残余拉应力Κ与此对应Κ塑性区的材料产生残余压应力1若试件原来受压缩载荷Κ则结果相反1112　冷作强化处理试件表层材料经喷丸或滚压等冷作强化处理Κ由于弹丸的冲击或滚子的滚辗Κ使表层材料出现局部屈服1弹坑周围或被滚辗的表面产生塑性变形Κ但芯部材料仍具弹性Κ对表层材料的收稿日期　1996-02-06熊健民　男　1957年生　副教授　武汉　湖北工学院院长办公室　430068变形形成制约1于是Κ在冷作强化的表层材料内产生了残余压应力Κ芯部则产生残余拉应力1113　淬火处理试件在整体淬火过程中Κ一方面由于材料热胀冷缩Κ内部产生热应力Μ另一方面Κ因组织有相变Κ要产生组织应力1热应力与组织应力都是残余应力1被热处理的试件Κ在冷却后期Κ当芯部材料冷却收缩时Κ受到已冷却的表层牵制Κ最终是在表层材料产生残余压应力Κ芯部产生残余拉应力1试件在经过表层淬火处理后Κ最终表层材料受残余压应力Κ芯部呈残余拉应力1114　渗碳处理试件表层材料经渗碳处理后Κ表层材料渗碳层呈残余压应力Κ且比仅淬火的表层材料高1总括地说Κ在受载、各种表面强化处理过程中Κ以及机械加工时Κ若是使试件材料局部地达到屈服状态Κ则在受载、处理措施或机械加工之后Κ该局部材料就会呈现残余应力1若是局部塑性拉伸、感应淬火、渗碳、喷丸、滚压及镀锡;镉或铅Γ等低溶点金属时Κ零件表层材料产生残余压应力Μ若是局部塑性压缩、高速切削、冷拉、局部加热、表层脱碳、镀铬或镍等高溶点金属时Κ则试件表层材料呈残余拉应力12　残余应力下的疲劳行为残余应力对试件的实有应力分布有很大影响1许多人在这方面都做过研究[3～5]Κ其中达成共识的是Π残余压应力使疲劳裂纹的萌生和扩展减缓Κ从而提高了试件的疲劳寿命1图1所示为没有残余应力的试件受弯矩M 作用的情况1图中点划线为材料的疲劳极限Ρr li m 曲线Ψ细实线为由弯矩M 所产生的弯曲应力分布曲线1当弯矩增大时Ψ是表层材料内的弯曲应力Ρbp =Ρb m ax 首先达到或超过疲劳极限值Κ因此表层没有残余压应力的试件是由表层材料最先出现疲劳损伤1图1　无残余应力试件受弯矩作用示意图图2　试件表面强化处理应力分布曲线若是表层经强化处理;如渗碳等ΓΚ则如图2所示Κ在渗碳表层内产生了残余压应力1图中所示虚线为残余应力Ρre 的分布曲线1受弯矩M 作用时Ψ试件内的实有应力Ρ的分布应为残余应力Ρre 和工作弯曲应力Ρb ≅图中细实线Σ之和Ψ其分布如图中粗实线所示Ψ此时实有应力不再是试件表层的为最大[另一方面Ψ由于试件表层经强化ΨΡr li m 亦相应增大Ψ此时即使弯矩增大Ψ也不再是表层的实有应力Ρi 首先达到或超过疲劳极限Κ并出现损伤1换言之Κ危险状态的应力不再位于试件表面Κ这无疑提高了试件的疲劳寿命1对于试件来说Κ表面层材料内所产生的残余压应力能推迟疲劳裂纹的孕育、起始开裂的时间Κ以及能使已有裂纹减缓扩展Κ因而提高了试件的疲劳寿命1至于芯部也许会先出现损伤Κ8湖　北　工　学　院　学　报1996年第4期　但芯部的损伤不容易形成易扩展的宏观裂纹Κ其对疲劳寿命的影响相比较之下是可以忽略的1试件处于交变应力状态下工作Κ当应力作循环变化时Κ试件内的残余应力实际上是起一个分布不均匀的平均应力Ρm 的作用1残余压应力能使疲劳极限增加;如图3所示Γ1因残余压应力的作用Κ使疲劳曲线向上提高Κ并且残余压应力的数值越大Κ疲劳曲线提高也越多1但若是残余拉应力Κ则使疲劳曲线降低Κ疲劳极限减小1残余压应力对疲劳裂纹扩展的影响Κ可以从两方面来进行分析Π1Γ　残余压应力使裂纹的两个面压紧Κ从而使裂纹闭合Μ图3　残余压应力与疲劳极限关系曲线2Γ　降低了裂纹的最大应力强度因子K m ax Κ使裂纹扩展驱动力降低1因此Κ∃K eff =≅1-R c 1ΣK m ax -ΚK r Ψ≅1Σ∃K =Y K t ∃S Πa 1+4.5a r .≅2Σ其中ΠK m ax 可以用L ukas 公式进行计算ΜR c 1=P c 1 P m ax [K r =Y 2Πa ∫a0Ρr ≅x Σa 2-x 2d x Ψ≅3Σ这里ΚK r 是残余应力强度因子[Y 为几何因子[x 为到裂纹尖端的距离[a 为裂纹长度[Ρp ≅x Σ残余应力分布Κ且Ρr ≅x Σ=A 1+A 1x +a 2x 2+a 3x 3+a 4x 4.≅4Σ所以ΚK r =Y 2ΠΠa 1000≅Π2A 0+A 1a +Π4A 2a 2+23A 3a 3+3Π16A 4a 4Σ.≅5Σ 式;3Γ是在认为外力作用在裂纹表面的假定下推导出来的Κ残余应力可以作为一个集中力代入计算Κ它的影响与材料强度和试件的几何约束相近1如果残余应力在裂纹扩展过程中松驰Κ或者忽略两轴或三轴残余应力Κ那么K r 必须乘上一个修正因子ΚΨ再代入∃K eff 中计算Κ正如式;1Γ所示13　残余应力孔的疲劳特性作为一种快速、经济的新工艺Κ残余应力孔使飞机构件具有比原来更大的补偿疲劳强度Κ此法为道格拉斯航空公司的专利[6]1应力孔边的残余压应力Κ可以削弱受载时存在于承载区附近的拉应力1这种方法可用在高应力区以提高疲劳寿命Κ阻止构件的应力腐蚀1加工残余应力孔的方法主要有两种1一种是把轻质碳化钨圆球无旋转地推过试件中预先加工好的孔Κ另一种是用过盈的硬质合金棒穿过孔[7、8]1用断裂力学的方法可以估算孔边的残余应力1设挤压量r =≅D 球或棒-D 孔Σ 2.≅6Σ孔边残余应力分布与r 有关1在孔边主要是残余压应力1随离孔边的距离的增加Κ残余应力渐渐变为残余拉应力Κ并在离孔边一定距离处达到最大1这个残余压应力使发源于孔表面的裂尖应力强度因子降低1经过对挤压的孔和未被挤压的孔进行对比疲劳试验Κ可以发现经过9　第11卷第4期 熊健民等　残余应力对疲劳裂纹扩展的影响挤压的孔的表面硬度和残余压应力都得到提高Κ结果是它的疲劳寿命也有了一个明显的提高1图4是球挤压孔的残余应力分布Κ图中给出了三种挤压量的残余应力分布曲线;试件材质为A IS I 1050Γ1图4　球挤压孔的残余应力分布图5　挤压量与疲劳寿命关系挤压量Π△1%Μ□2.8%Μ○3.2%从图4可以很清楚地看到Κ残余压应力的幅值沿离孔的远去逐渐降低Κ直到达到残余拉应力的最大值;在离孔3.5mm 处ΓΚ然后残余拉应力逐渐递减直至为零1图6　裂纹割开的挤压孔图7　割开的挤压孔的残余应力分布图8　割开孔的疲劳寿命挤压量对疲劳寿命也有影响;如图5所示Γ1一般说来Κ疲劳寿命随挤压量的增大而增加1挤压量为3.5%的孔Κ其疲劳寿命至少是未挤压的孔的寿命的2倍1值得注意的是Κ当应力孔被裂纹贯通Κ与试件边界或其它孔相连;如图6ΓΚ它的应力分布就完全改变了Κ几乎全部是残余拉应力Κ图7是张开的应力孔的残余应力分布1被裂纹贯通的应力孔Κ其边缘只存在残余拉应力1相应的Κ其疲劳寿命也大大降低了;如图8Γ14　结论残余压应力对疲劳裂纹的扩展起滞阻作用Κ从而使01湖　北　工　学　院　学　报1996年第4期　疲劳寿命得以提高1残余拉应力的影响则相反1孔挤压可以在孔边产生残余压应力Κ但是当孔被裂纹贯穿后Κ孔边就完全是拉应力1参　考　文　献1　赫仁官Κ李康先1裂纹扩展中的部分止裂现象及其对疲劳寿命的影响1机械强度Κ1993Κ15;2ΓΠ46～492　徐可为Κ张　晖Κ胡奈赛1一次预过载对铝合金喷丸前后缺口疲劳强度的影响1航空学报Κ1993Κ14;6ΓΠ317～3203　冯忠信1表面滚压渗渗碳钢缺口疲劳强度影响的研究1西安交通大学学报Κ1995Κ29;8ΓΠ90～944　Kew ei Xu 1effect of residual stress on fatigue behavi ou r of no tches .Fatigue Κ1994Κ16;ΓΠ337～3435　汤嘉吉1机械零件残余压应力的生成及其对提高疲劳强度的作用1机械Κ1993Κ20;1ΓΠ39～446　Feltner C E and Beardmo re P .Strengthen ing M echan is m s in Fatigue .A ch ievem en t of H igh Fatigue R e 2sistance in M etals and A lloys ΚA STM ST P 467ΚAm erican Society fo r T esting M aterials Κ1970Κ77～1127　L aiM O .Fatigue p roperties of Ho les w ith R esidual Stresses .Engineering F ractu re M echan ics .1993Κ45;5ΓΠ551～5578　张永伟Κ杨庆雄1钉孔挤压强化弹塑性计算中形变理论适用性探讨1航空学报Κ1992Κ13;3ΓΠ227～231Effect of Residual Stress on FatigueCrack PropagationX iong J ianm in M ao W ei m in Yu TiangqingAbstract T he effect of residual stress on crack p rop agati on is investigated in th is p ap er .T he ex istence of residual com p ressiu r stress help s increase fatigue life Κbu t residual ten sile stress cau ses the oppo site resu lt .T he residual stress ho le is also analyzed .Key W ords residual stress Μfatigue crack p rop agati on Μresidual stress ho le;责任编辑　张培炼Γ11　第11卷第4期 熊健民等　残余应力对疲劳裂纹扩展的影响。