噴丸強化可以顯著提高材料的疲勞裂紋萌生抗力。關(guān)于材料疲勞極限提高的原因,一般認為是由于噴丸在試件表層引入的殘余壓應(yīng)力抵消了部分載荷拉應(yīng)力所致。然而,在噴丸試件表面殘余壓應(yīng)力層下方的殘余拉應(yīng)力峰值區(qū)內(nèi)卻經(jīng)常萌生疲勞裂紋,且在此條件下噴丸試件的疲勞極限往往都有顯著提高。針對這一現(xiàn)象,姚枚、王仁智等通過理論分析和實驗研究,提出了表面及內(nèi)部疲勞極限的新概念認為:經(jīng)過適當(dāng)表面強化的試件,其內(nèi)部萌生疲勞裂紋的臨界應(yīng)力(即內(nèi)部疲勞極限,約為未經(jīng)表面強化的相同材料試件在表面萌生疲勞裂紋的臨界抗力(即表面疲勞極限)的1.35倍。該理論通過大量實驗驗證并在預(yù)測表面強化件表觀疲勞極限中獲得成功。但是以往的試驗均在應(yīng)力比R=0.05的三點彎曲條件下進行,在工程中常見的R–1旋轉(zhuǎn)彎曲條件下上述概念是否適用,尚缺乏研究。

一、材料與試驗方法

試驗用材為雙真空冶煉鋼,其化學(xué)成分、熱處理工藝及力學(xué)性能分別列入表1和表2。

未噴丸試樣表面的機加工殘余應(yīng)力層用電解拋光法加以去除,噴丸強化試樣采用逐層電解拋光,并在2903型X射線應(yīng)力儀上測定殘余應(yīng)力沿層深的分布。在HY型疲勞試驗機上進行旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗,加載頻率為50 Hz,根據(jù)升降法確定材料的疲勞極限,循環(huán)周次為10的7次方。試樣形狀如圖1所示。

二、試驗結(jié)果與討論

試驗結(jié)果表明,在R–1的條件下,經(jīng)適當(dāng)噴丸強化的試件,裂紋萌生于殘余壓應(yīng)力層下方的殘余拉應(yīng)力區(qū),而表觀疲勞極限卻有明顯提高。這說明由于強化而在試件內(nèi)部萌生疲勞裂紋的臨界抗力，高于非強化試件在表面萌生勞裂紋的臨界抗力。

在循環(huán)加載過程中，噴丸強化試樣內(nèi)局部壓應(yīng)力將超過屈服極限，導(dǎo)致局部屈服，從而使殘余應(yīng)力的分布發(fā)生改變，即發(fā)生靜載松弛，而我們研究殘余應(yīng)力靜載松弛后，可通過一下方式表達：

上述結(jié)果表明,疲勞裂紋在內(nèi)部萌生的臨界應(yīng)力要高于其表面萌生的臨界應(yīng)力;同時表明,在旋轉(zhuǎn)彎曲條件下,材料的內(nèi)及表面疲勞極限理論仍有效。由此可知,內(nèi)部疲勞極限理論可于噴丸強化工藝的優(yōu)化選擇以及噴丸零件表觀疲勞極限的定量預(yù)
測。

三、結(jié)論

1)經(jīng)適當(dāng)噴丸強化的300M鋼,在旋轉(zhuǎn)彎曲條件下疲勞裂絲萌生于試件內(nèi)部殘余拉應(yīng)力峰值區(qū),使表觀疲勞極限得以明顯高。
2)在旋轉(zhuǎn)彎曲條件下, 300M鋼的內(nèi)部疲勞極限約為表面疲勞極限的1.39倍。