背景簡(jiǎn)介
在制造齒輪,、軸承或軸等高應(yīng)力部件時(shí),，通常使用表面硬化工藝來提高中低強(qiáng)度鋼的抗疲勞和耐磨性。因此,，不均勻的材料特性（如強(qiáng)度和硬度梯度以及殘余應(yīng)力）被引入部件中,。因此，硬化表面層比部件內(nèi)部的低強(qiáng)度芯材表現(xiàn)出更好的機(jī)械特性,，因?yàn)樗哂懈叩膹?qiáng)度和引入的壓縮殘余應(yīng)力,，從而延長(zhǎng)了疲勞壽命。與彈性變形行為不同,，兩個(gè)材料區(qū)域的彈塑性不同,，而表層表現(xiàn)出更高的屈服點(diǎn)，因此對(duì)塑性變形的抵抗力明顯更高,。然而,，根據(jù)部件的幾何形狀和施加的載荷，塑性變形可能首先發(fā)生在表面層或芯材中,。由于組件中的材料特性不均勻,，因此失效可能源于低強(qiáng)度芯材和高強(qiáng)度表面層之間過渡區(qū)域的缺口根部或子表面?？紤]到這些影響對(duì)于工業(yè)用戶來說仍然是一個(gè)挑戰(zhàn),，這需要成本高昂的試驗(yàn)或廣泛的數(shù)值研究。在組件設(shè)計(jì)階段就考慮這種機(jī)械行為的簡(jiǎn)單且最好是標(biāo)準(zhǔn)化的方法將非常有益,，以實(shí)現(xiàn)當(dāng)今日益重要的生態(tài)和經(jīng)濟(jì)可持續(xù)性,。
成果介紹
（1）為了確定不同表面層硬化處理對(duì)疲勞壽命的影響，進(jìn)行了試驗(yàn)調(diào)查,，并驗(yàn)證了開發(fā)用于調(diào)整疲勞強(qiáng)度評(píng)估的數(shù)值和分析方法,。研究包括斷口檢查以確定失效根源以及殘余應(yīng)力、硬度深度和表面粗糙度的測(cè)量,。為此,，使用了帶缺口的圓形狀試樣，參見圖 1,，其中測(cè)試了 R = 2 mm 和 R = 4 mm 的兩個(gè)不同缺口半徑的試樣,。
（2）圖 2（左）將疲勞試驗(yàn)結(jié)果與表面硬化深度為 CHD1 = 0.83 mm（制造目標(biāo)：0.87 mm）和 CHD2 = 1.38 mm（制造目標(biāo)：1.48 mm）的表面硬化 16MnCr5 試樣的疲勞試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較,，適用于缺口半徑為 R4 的試樣,，載荷比 R = -1,。可以看出,，與 CHD2 相比,，CHD1 條件下的試樣表現(xiàn)出略高的疲勞強(qiáng)度和更高的耐久極限。兩種表面硬化深度的靜態(tài)強(qiáng)度相同,。此外,，可以看出，在 CHD1 和 CHD2 的應(yīng)力幅值為 750 MPa 和 600 MPa 時(shí),，失效源由缺口根部的裂紋變?yōu)樵醋圆考?nèi)部和芯材的裂紋,。用感應(yīng)硬化 42CrMo4 制成的試樣分析了 SHD1 = 0.33 mm（制造目標(biāo)：0.4 mm）和 SHD2 ≈ 1.6 mm（目標(biāo)：1.6 mm）這兩個(gè)硬化深度，從圖2（右）可以看出,，具有較厚表面層的缺口試樣在整個(gè)疲勞壽命范圍內(nèi)具有明顯更高的疲勞強(qiáng)度,。SHD2 的應(yīng)力-壽命曲線向上移動(dòng) 175 MPa，因此也達(dá)到了更高的靜態(tài)強(qiáng)度和耐久極限,。值得注意的是,，對(duì)于硬化深度，靜態(tài)強(qiáng)度沒有明顯的漸近方法,，并且測(cè)試結(jié)果顯示出非常低的散射,。在所有測(cè)試中，裂紋都是從缺口根部開始的,。
（3）對(duì)于表面硬化部件,，失效不僅可能始于缺口根部,，還可能始于從高強(qiáng)度表面層到低強(qiáng)度芯材的過渡區(qū)域。對(duì)于由感應(yīng)硬化 42CrMo4 制成的試樣,，在所有測(cè)試中,，失效都源于試樣表面（缺口根部）。即使在較低的應(yīng)力下,，也無法檢測(cè)到從高強(qiáng)度表面層材料到低強(qiáng)度芯材的過渡區(qū)域中的裂紋萌生,。為研究表面硬度對(duì)疲勞壽命的影響，引入了模型“厚表面層",，用于表面硬化部件的疲勞強(qiáng)度評(píng)估,。該模型引入了忽略強(qiáng)度、硬度和殘余應(yīng)力梯度的假設(shè),，即所謂的兩層模型。因此,，強(qiáng)烈簡(jiǎn)化的結(jié)構(gòu)僅由兩個(gè)均質(zhì)區(qū)域組成：低強(qiáng)度芯材和高強(qiáng)度表面層,，參見圖3（左）,。
（4）統(tǒng)計(jì)參數(shù)散點(diǎn)范圍 T 和中位數(shù) m 用于評(píng)估準(zhǔn)確性,。圖 4（左）顯示了 TYPE 1 的類組件試樣的測(cè)試結(jié)果,，從圖中可以看出，精度較好,，在較高的負(fù)載循環(huán)失效區(qū)域,，保守的一側(cè)略有偏差。圖 4（右）顯示了根據(jù)模型“厚表層"計(jì)算的 TYPE 2 類組件試樣的疲勞試驗(yàn)的 N-N 圖,。從圖中可以看出,，這種類型的組件的分散性增加。在 LCF 狀態(tài)下,，在缺口根部出現(xiàn)裂紋的測(cè)試估計(jì)更不安全,，并且在104以上的負(fù)載循環(huán)估計(jì)結(jié)果較為保守。
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