背景簡介
在制造齒輪,、軸承或軸等高應(yīng)力部件時，通常使用表面硬化工藝來提高中低強度鋼的抗疲勞和耐磨性,。因此,，不均勻的材料特性（如強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)部的低強度芯材表現(xiàn)出更好的機械特性,，因為它具有更高的強度和引入的壓縮殘余應(yīng)力,，從而延長了疲勞壽命。與彈性變形行為不同,，兩個材料區(qū)域的彈塑性不同,，而表層表現(xiàn)出更高的屈服點，因此對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度芯材和高強度表面層之間過渡區(qū)域的缺口根部或子表面?？紤]到這些影響對于工業(yè)用戶來說仍然是一個挑戰(zhàn),，這需要成本高昂的試驗或廣泛的數(shù)值研究。在組件設(shè)計階段就考慮這種機械行為的簡單且最好是標準化的方法將非常有益,，以實現(xiàn)當今日益重要的生態(tài)和經(jīng)濟可持續(xù)性,。
成果介紹
（1）為了確定不同表面層硬化處理對疲勞壽命的影響，進行了試驗調(diào)查,，并驗證了開發(fā)用于調(diào)整疲勞強度評估的數(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量,。為此,，使用了帶缺口的圓形狀試樣,，參見圖 1,，其中測試了 R = 2 mm 和 R = 4 mm 的兩個不同缺口半徑的試樣。
（2）圖 2（左）將疲勞試驗結(jié)果與表面硬化深度為 CHD1 = 0.83 mm（制造目標：0.87 mm）和 CHD2 = 1.38 mm（制造目標：1.48 mm）的表面硬化 16MnCr5 試樣的疲勞試驗結(jié)果進行了比較,，適用于缺口半徑為 R4 的試樣，載荷比 R = -1,?？梢钥闯觯c CHD2 相比,，CHD1 條件下的試樣表現(xiàn)出略高的疲勞強度和更高的耐久極限,。兩種表面硬化深度的靜態(tài)強度相同。此外,，可以看出,，在 CHD1 和 CHD2 的應(yīng)力幅值為 750 MPa 和 600 MPa 時,，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：0.4 mm）和 SHD2 ≈ 1.6 mm（目標：1.6 mm）這兩個硬化深度,，從圖2（右）可以看出,，具有較厚表面層的缺口試樣在整個疲勞壽命范圍內(nèi)具有明顯更高的疲勞強度。SHD2 的應(yīng)力-壽命曲線向上移動 175 MPa,，因此也達到了更高的靜態(tài)強度和耐久極限,。值得注意的是，對于硬化深度,，靜態(tài)強度沒有明顯的漸近方法,，并且測試結(jié)果顯示出非常低的散射。在所有測試中,，裂紋都是從缺口根部開始的,。
（3）對于表面硬化部件,，失效不僅可能始于缺口根部，還可能始于從高強度表面層到低強度芯材的過渡區(qū)域,。對于由感應(yīng)硬化 42CrMo4 制成的試樣,，在所有測試中，失效都源于試樣表面（缺口根部）,。即使在較低的應(yīng)力下,，也無法檢測到從高強度表面層材料到低強度芯材的過渡區(qū)域中的裂紋萌生。為研究表面硬度對疲勞壽命的影響,，引入了模型“厚表面層",，用于表面硬化部件的疲勞強度評估。該模型引入了忽略強度,、硬度和殘余應(yīng)力梯度的假設(shè),，即所謂的兩層模型。因此,，強烈簡化的結(jié)構(gòu)僅由兩個均質(zhì)區(qū)域組成：低強度芯材和高強度表面層,，參見圖3（左）。
（4）統(tǒng)計參數(shù)散點范圍 T 和中位數(shù) m 用于評估準確性,。圖 4（左）顯示了 TYPE 1 的類組件試樣的測試結(jié)果，從圖中可以看出,，精度較好,，在較高的負載循環(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"計算的 TYPE 2 類組件試樣的疲勞試驗的 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)裂紋的測試估計更不安全,，并且在104以上的負載循環(huán)估計結(jié)果較為保守。
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