疲劳断裂失效分析与表面强化预防

栏目主持李牟翔疲劳断裂失效分析与表面强化预防

北京航空材料研究院（１０００９５）高玉魁

对于航空航天零部件而言，随着结构设计不断使用高强度结构材料来制造承力构件，越来越多的零件以疲劳断裂的方式发生失效事故。因此，总结疲劳断裂的失效特征，分析其影响凶素，探讨疲劳失效的预防措施一直是材料和力学等学科的研究工作者和工程师们所关心的课题。

对疲劳断裂失效而言，应该将疲劳裂纹的萌生与疲劳裂纹的扩展（包括疲劳小裂纹和长裂纹的扩展）结合起来，综合考虑疲劳裂纹的“裂”与“断”的过程，定量计算疲劳寿命，以便为设计提供数据支持和依据。目前的研究，材料工作者多从材料的组织结构特征方面来分析组织结构对疲劳寿命的影响，而断裂力学研究者则多从疲劳裂纹扩展寿命来计算安全的使用寿命。这两种方法都有一定的道理，并分别侧重于裂纹的萌生与扩展阶段的研究。对于疲劳断裂失效而言，疲劳断裂的过程都是先“裂”后“断”的。“疲劳断裂”不如“疲劳裂断”科学，这不仅是因为“疲劳裂断”可反映疲劳裂纹的萌生、扩展与断开的先后次序，而且“裂”还同时强调了裂纹的萌生和扩展两个阶段。一个零件要“裂”必须有裂纹的产生并使裂纹长大，要想“断”必须是零件上一定尺寸的裂纹在一定外力或环境的单独或共同作用下才能发生。因此，从“疲劳裂断”的进程来看，如何“防裂”、“止裂”、“防断”和“止断”不仅在科学理论上，而且在工程应用中都具有十分重要意义的研究课题。的强度潜力和使用性能；另一方面可提前预防失效事故并避免灾难的发生。为便于理解和使用，除了在此强凋“裂”外，下文仍采用“疲劳断裂”来描述疲劳失效。

１．结构材料的疲劳失效特征

疲劳失效是材料在循环载荷作用下发生的损伤和破坏过程。一般而言疲劳断裂包括裂纹的萌生、裂纹的扩展和最终的断裂三个过程，因此疲劳断口上有三个相对应的区域，即裂纹源区、裂纹扩展区和瞬断区。根据所受载荷的水平、材料的力学特性、试样的形状尺寸与约束条件的不同，这三个区域的大小、形状和分布特征也不尽相同，但总体而言可归纳为下列的４个宏观规律特征：

（１）疲劳失效为低应力长时间无明显塑性变形的宏观脆性断裂。

（２）疲劳失效是由材料局部的组织不断发生损伤变化并且逐渐累积而成，疲劳总是从最薄弱的区域开始（见图１）。

图ｌ疲劳裂纹萌生于内部的夹杂物缺陷

（３）疲劳断裂必须在循环应力和微观局部发生塑性

“防裂”和“止裂”是在“裂”上下功夫，通过分变形，以及拉伸应力作用下发生。前者是裂纹形成的条析裂的规律，找出裂的原因，提出防裂的措施，采用合

理的结构设计、合适的材料、适宜的热处理制度及可靠

的零件加工与适当的表面强化来改进开裂的方式，提高

开裂的抗力。“防断”和“止断”是在“断”字上做文

章，对存在一定尺寸的裂纹或缺陷，通过分析剩余寿命

／剩余强度来计算构件的安全，一方面可充分发挥材料

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件，后者是裂纹扩展的需要。

（４）疲劳失效具有随机性，裂纹的形成与扩展都需

要一定的晶体学条件、力学条件和变形的协调条件，而

且材料本身的组织结构、成分偏析与夹杂缺陷等的不均

匀性，决定了疲劳失效具有随机性。

从疲劳失效的断口分析而言，微观上讲具有以下

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的例子是对于飞机起落架，虽然形状相同，但采用强度不同的ＧＣ４、３０ＣｒＭｎＳｉＮｉ２Ａ和３００Ｍ来加工制造，其飞行寿命相差很远。对不同使用条件下的零件应选择性能相适应的材料，在室温下选择晶粒细小、强度高和韧性好的结构材料比较耐疲劳；而在高温下选择晶粒适当、组织稳定、强韧性配合较好的结构材料才可提高疲劳寿命。合适的材料是制造长寿命抗疲劳零件的基础。

（３）适宜的热处理制度选择了一定的形状尺寸和合适的材料，对材料进行适宜的热处理显得非常关键。相同的材料，热处理制度不同，疲劳性能也就完全不同。４０Ｃｒ材料在不同温度下进行回火或对其进行渗氮化学热处理，其疲劳强度绝对数值可差５００ＭＰａ，相对数值差为４０％。热处理时不仅需要关注材料热处理后的组织与性能，更需要保证热处理制度的稳定性、可靠性，应避免在工件表面彤成脱碳、过热、硬脆相等变质层，以确保表面层的疲劳抗力。

（４）可靠的零件加工工艺零件的加工质量对其使用寿命的影响很大，相同的材料即使采用相同的热处理制度，但如果选用不同的加工方式进行制造，其疲劳性能也相差很大，尤其是对于高强度结构材料。可靠稳定的零件加工制造工艺是零件表层质量的保证，没有好的零件加工工艺就得小到好的表面质量，也谈不上高的疲劳性能。零件加工时要杜绝烧伤、吃刀等工艺所产生的缺陷，并尽量减小加工过程中产生的残余拉应力数值。

（５）适当的表面强化处理表面强化工艺技术虽然起源于结构的维护修理，但近年来已被设计单位和工厂作为一种设计技术和制造技术，用于零件的加工、制造与维护等过程。零件的设计是基础和依据，零件的材料选择是关键的性能支撑，制造工艺是实现加１二的手段和可靠性的根本保证，表面强化则是零件表层性能的守护神。采用合适的表面强化工艺技术处理零件，可使零件不在表面发生疲劳失效，而在表层下的基体处萌生疲劳裂纹，这将充分发挥材料的强度潜力，节省材料的消耗。

４．表面强化预防疲劳失效的机理、效果与应用

最初，国内外的表面强化技术主要应用于航空工业，以提高飞机关键部位的细节疲劳品质。随着工业技术的发展，该技术被逐渐推广应用在机械、机车、交通、建筑和石油化工等行业，典型的零件如齿轮传动

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件、桥梁紧固件、石油钻具和化工容器等。表面强化之

所以能够在工业上得以推广应用，主要与其普遍的适应

性、显著的强化效果、简便的操作技术等密切相关，但

要合适地采用表面强化工艺技术来预防疲劳失效，需要

知道表面强化的机理和强化效果的评价方法。

表面强化的机制很多，但表面形变强化的机理主要

包括以下几个方面：

（１）组织结构的细化与强化。

（２）表面形变所产生的加工硬化。

（３）残余压应力场的引入。

（４）表面缺陷的弥合消失与减少或减小。

（５）表面粗糙度与形貌的改善。喷丸所产生的表面

完整性变化如图３所示。

图３喷丸产生的表面变化

表面强化效果常采用疲劳性能来进行评价，在相同

的应力水平下，对比不同表面处理状态下试样的疲劳寿

命，或进行疲劳强度／极限的对比，以考核表面强化的

效果，并对工艺参数进行优化。

图４喷丸试样的疲劳裂纹

大量的试验结果与理论研究分析表明，采用表面强

化可使疲劳强度／极限提高３０％以上，且疲劳裂纹出现

在表面强化层下的残余拉应力区域（见图４）。有关文

献指出，当疲劳裂纹萌生在距离表面１０个晶粒尺寸以

下的区域时，可以认为表面强化效果最好，而且对于某

一材料而言，此时的疲劳强度／极限为材料的特征参数

是一个常数。ＭＷ

（２００８０４２０）

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