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(biāo)準(zhǔn)化的方法將非常有益，以實現(xiàn)當(dāng)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(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。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(biāo)：0.4 mm）和 SHD2 ≈ 1.6 mm（目標(biāo)：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(zhǔn)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(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(fù)載循環(huán)估計結(jié)果較為保守。
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