抗疲劳制造原理与技术概论一、抗疲劳制造定义1964年国际标准化组织（ISO）在《金属疲劳试验的一般原理》中给疲劳下了一个描述性定义:金属材料在应力或应变的反复作用下所发生的性能变化叫疲劳。所谓的抗疲劳制造技术是指在不改变零件材料和截面尺寸的前提下，通过在制造工艺过程中改变材料的组织及应力分布状态来提高零部件疲劳寿命的制造技术。这种技术的一个突出的特点是不改变零件的结构和材料，不增加材料重量，但能大幅度提高材料的疲劳寿命。二、抗疲劳制造设计与制造的重要性在现代工业各个领域中，大约有50-90%以上的结构强度破坏都是由于疲劳破坏造成的，如轴、曲轴、连杆、齿轮、弹簧、螺栓、压力容器、海洋平台、汽轮机叶片和焊接结构等，很多机械零部件的结构件的主要破坏方式都是疲劳，而且遍布在工业、交通、军事等要害部门，给航空、造船、交通运输、动力机械、化工机械、工程机械等工业造成严重威胁[1-2]。因此，认识疲劳，了解疲劳破坏的机理，探求抗疲劳制造的方法并去指导现代工业技术的发展，已经成为现代工业生产中的重要课题。三、抗疲劳制造技术的原理疲劳是一个非常复杂的过程，疲劳寿命受许多因素的影响，其中包括零件表面残余应力、表面显微组织、缺口效应、尺寸效应、表面效应、材料静强度以及腐蚀环境等多种因素。一些对材料或构件的静态特性影响很小的因素，如构件和结构的表面状态、缺口形式等，在疲劳现象中却起到非常显著的作用。因此，提高金属材料抗疲劳性能应主要从以下四方面来进行:(l)合理选材，注意零件的细节设计，提高加工精度和降低表面粗糙度，尽量减少形成应力集中的各种因素。(2)在金属材料表层，特别是局部应力集中的薄弱部位引人高的残余压应力。(3)细化材料的表层显微组织，细化亚晶粒，减少材料内部的非金属夹杂物，提高冶炼精度。(4)在保证芯部具有足够强度的前提下，提高材料表层的硬度和强度，抑制在循环应力作用下表层产生局部塑性形变。四、疲劳设计方法1、无限寿命设计法。无限寿命设计法是谢联先生在40年代提出的，是最早使用的抗疲劳设计方法。使用无限寿命设计法时，常先用静强度设计确定零件尺寸，再用这种方法进行疲劳强度校核。2、名义应力有限寿命设计法。有限寿命设计法要求构件或结构在一定的使用期限内不能产生任何疲劳缺陷，又称安全寿命设计法。3、局部应力应变分析法。在实际使用过程中，决定零件疲劳强度和寿命的是应变集中处的最大局部应力和应变。也就是说，决定疲劳强度和寿命的是应变集中处的最大局部应变。4、损伤容限设计法。损伤容限设计法是以无损检测技术和断裂韧性与疲劳裂纹扩展速率的测定技术为手段，以有初始缺陷或裂纹零件的剩余寿命估算为中心，以断裂控制为保证，确保零件在使用期内能够安全使用的一种疲劳设计方法。5、疲劳可靠性设计。这种设计方法是概率统计法和疲劳设计法相结合的产物，它考虑了载荷、材料疲劳性能和其它疲劳设计数据的分散性，可以把破坏概率限制在一定的范围内。五、抗疲劳制造技术分类在目前的生产实践中，有关抗疲劳制造的方法多种多样，从物理、化学、机械和高能束处理四个方面对其进行分析，如图l所示。2.1物理方法物理方法通过提高材料表层的硬度和强度来提高材料抗疲劳性能的。其特点是不改变表层化学成分，通过表层相变来提高零件的疲劳强度。常用的工艺有火焰淬火、高频和中频感应加热淬火以及近年来发展的超声波、双频感应加热淬火等。表面淬火淬硬层中的马氏体组织很细，硬度和强度比一般的整体淬火高，因而具有较好的抗粘着磨损与疲劳磨损的能力。马氏体的比容大，使淬硬层中存在较大的残余压应力。这种具有残余压应力的高硬度表面层能使工件的疲劳强度明显地提高[4]。2化学方法化学方法是利用化学热处理技术通过改变表面化学成分，并形成单相或多相的扩散层，大大提高材料表层的硬度，同时还可以建立很高的残余压应力，从而提高了材料的疲劳性能。主要包括渗碳、渗氮、碳氮共渗、磷化和阳极氧化等工艺，近年来离子渗碳、真空扩渗、渗硼和多元共渗等新方法也得到了较大的发展，并且在微动摩擦学领域中进行了较多应用[5]。国外有人研究了渗氮层的微动性能，发现其表面损伤程度随表面机械强度的提高而降低，特别是残余压应力和较高的屈服强度降低了表面承受的有效载荷，使裂纹形核时间延长，扩展速率降低，因而磨损减小，微动疲劳性能大大提高。3、机械方法机械方法的突出特点是利用冷变形技术，使金属材料表面产生形变硬化层，并引入高的残余压应力，因而减少了疲劳应力作用下裂纹的形核并抑制裂纹的早期扩展，从而显著提高机械零件的抗疲劳断裂和抗应力腐蚀开裂的能力。主要工艺方法包括滚压、挤压、喷丸、干涉配合和抛光处理等，是抗疲劳制造的一种主要方法。其中喷丸强化工艺不仅可以在极为宽广的幅度上改变金属材料的疲劳强度和抗应力腐蚀性能，而且其