汽车发动机曲轴断裂分析

汽车发动机曲轴在台架试验过程中突然从连杆轴颈圆角远离扇板一侧边缘发生旋转弯曲疲劳断裂。综合运用断口宏微观观察、表面粗糙度（R_a和R_z）测量、残余应力测试及截面金相观察技术，确定曲轴疲劳断裂主要由轴颈圆角滚压不良导致局部萌生微裂纹及工作过程中受到短时异常应力作用引起；轴颈圆角比技术要求的略小对曲轴疲劳断裂具有促进作用。单一的表面粗糙度R_a不能完好反映轴颈滚压质量，建议采用残余应力测试、表面粗糙度R_a和R_z相结合的方法评价轴颈滚压质量。     

高强钢大直径内螺纹超声滚压强化技术

为改善高强钢内螺纹的表面质量,提升螺纹的疲劳寿命和可靠性能,将超声滚压强化技术应用于高强钢大直径内螺纹。采用光学显微镜、显微硬度仪、应力测试仪和疲劳试验机等仪器对滚压前后的螺纹试件表面的显微形貌、粗糙度、硬度、残余应力和疲劳寿命等进行分析。结果表明:超声滚压后螺纹表面残留的加工痕迹可基本消除,牙底表面粗糙度较未滚压降低约50%,较普通滚压降低约30%;超声滚压后表面硬度较未滚压提升17%,而较普通滚压提升约14%;超声滚压后表面残余压应力较未滚压提升60%,而较普通滚压提升约50%。超声滚压后工件疲劳寿命可达到未强化工件疲劳寿命的5倍以上。综上所述,超声滚压强化对于高强钢大直径内螺纹表面质量具有良好的提升效果。     

超声滚压强化7075铝合金工件表面性能的研究

目的探究超声滚压强化技术对7075铝合金工件表面性能的影响。方法对7075铝合金棒状试样精车加工后进行了超声滚压强化处理。综合使用粗糙度测量仪、表面显微硬度仪、金相显微镜以及X射线衍射应力分析仪,研究了处理前后工艺参数中的压下量对试样的表面粗糙度、表面显微硬度、表面微观组织及表面残余应力等表面性能的影响。结果超声滚压强化处理后,试样表面粗糙度由0.976μm降低至0.047μm,表面显微硬度由105.6HV0.2提高至119HV0.2,显微硬度提高了15%。精车加工后,精车试样的表层组织与心部组织几乎无变化。超声滚压强化后,相对心部组织而言,表层晶粒组织得到显著细化,表层均为残余压应力,压应力深度为1.75 mm。残余压应力最大值位于最表层,最大为-174.0 MPa,且距离最表层越远,残余压应力总体呈减小趋势。结论通过对比研究精车试样与超声滚压试样,发现超声滚压强化工艺可以大大地降低试样表面粗糙度,显著地细化表层试样晶粒与提高表面硬度,改善残余应力的分布,并引入一定深度的残余压应力。     

表面超声滚压处理工艺对高速列车车轴钢表面状态的影响

为提高高速列车车轴钢的疲劳性能,对车轴钢EA4T进行了表面超声滚压处理(SURP)。综合运用了粗糙度测量仪、扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射应力分析仪、显微硬度仪以及金相显微镜研究了表面超声滚压处理工艺参数中静压力和进给速度对高速列车车轴钢表面粗糙度、表面残余应力状态、表层显微硬度及微观组织的影响规律。结果表明:在试验参数范围内,静压力和进给速度越低,车轴钢的表面粗糙度越低;SURP后,试样表面轴向残余压应力得到大幅度提高,并且随着静压力的增加而增加,随着进给速度的增加而减小;表面硬度以及塑性变形层厚度随两参数的变化规律与残余应力的变化规律相似。     

7050铝合金高速二维超声滚压对表面质量的影响

为实现7050铝合金高效优质表面强化,将高速超声引入到二维超声滚压中,研究了7050铝合金高速二维超声滚压后的表面质量。首先采用单因素试验法对7050铝合金进行高速二维超声滚压加工试验,利用超景深测量仪和扫描电镜观察并对比分析了车削后与滚压后的表面形貌和微观组织;采用粗糙度测量仪、显微硬度计和X射线衍射仪测量滚压后的表面粗糙度、显微硬度和表面残余应力,并分析了不同工艺参数对表面质量的影响。结果表明:7050铝合金经高速二维超声滚压加工后,试件表面更为光滑,表层组织更致密,能有效降低表面粗糙度值、提高显微硬度,并形成残余压应力,表面粗糙度最低为0. 68μm,降幅达65%,表面显微硬度最大为156 HV0. 1,增幅达72%,表面残余压应力最高达-329. 5 MPa。在高速二维超声滚压中,7050铝合金工件表面粗糙度主要受静压力和转速影响,表面显微硬度受静压力、进给量和振幅影响较大,而表面残余压应力主要受进给量的影响。7050铝合金加工时表面组织及性能主要受冷塑性变形和温度场的综合影响,高速二维超声滚压加工工艺能够实现7050铝合金的优质高效强化处理。     

超声滚压工艺对镍基单晶高温合金DD6表面完整性和疲劳寿命的影响

目的 改善长期服役于高温高压环境的镍基单晶高温合金DD6材料的表面完整性,提高其使用寿命。方法 采用超声滚压表面强化工艺(Ultrasonic Rolling Process,USRP)对镍基单晶高温合金DD6试样进行表面强化,用正交试验法对三因素三水平的试样组进行试验,使用三维形貌仪、显微硬度仪、XRD射线衍射仪和MTS万能疲劳试验机探究静压力、进给速度和加工遍数等超声滚压参数对镍基单晶合金表面完整性和疲劳寿命的影响规律。结果 对于镍基单晶材料,超声滚压强化工艺能有效降低其表面粗糙度,提高表面显微硬度,并在材料内部引入一定的残余应力,并提升疲劳寿命。经USRP处理后,不同晶体取向的材料能够取得的最佳表面增益效果为,表面硬度从465HV提高到679.2HV,表面粗糙度从0.703 μm降低至0.253 μm,表面引入了约为782 MPa的残余压应力。不同晶向材料的疲劳寿命提升表现为,应力水平为742.4 MPa时,疲劳寿命提升1.3倍;应力水平为649.6 MPa时,疲劳寿命提升1.5倍。结论 超声滚压工艺能够有效降低DD6材料的表面粗糙度、提高表面显微硬度,并在表面引入一定的残余应力,疲劳断裂模式主要为沿{110}面的滑移断裂。在低于742.4 MPa的应力加载时,超声滚压强化可以明显提高DD6材料在高温下的疲劳寿命。     

激光冲击工艺对钛合金疲劳寿命的影响

研究激光加工工艺对Ti6A14V航空钛合金叶片表面粗糙度和残余应力的影响，并分析影响表面质量的激光加工工艺参数；探讨表面粗糙度和表面残余应力对叶片疲劳寿命的影响。结果表明，采用激光冲击航空叶片，叶片表面残余压应力大大增强，从而使得其抗疲劳破坏能力增强，而表面粗糙度减小；在激光脉冲功率允许的范围内，选择合适的冲击参数能有效降低叶片表面粗糙度，而表面残余压应力对疲劳寿命的影响起主导作用。     

超声表面滚压改善45#钢表层特性及疲劳性能的研究

目的研究超声表面滚压处理(Ultrasonic Surface Rolling Process,USRP)对45#钢表层特性及疲劳性能的影响。方法利用超声表面滚压设备处理45#钢,观察分析处理前后试样的表层特征、状态、微观结构,采用旋转弯曲疲劳试验研究试样疲劳性能,通过升降法测取疲劳极限值。结果 USRP处理后,试样表面形貌显著改善,表面粗糙度由之前的3.2μm降低到0.23μm,显微组织细化,晶粒取向趋于随机分布,表层显微硬度相比心部提高56%左右,强化层厚度可达400μm,残余压应力由-180 MPa提高到-532 MPa,疲劳极限值由296 MPa提高到403 MPa。结论通过USRP处理,试样的表层特性及表面性能得到强化改善。疲劳性能的提高主要归因于USRP处理使材料表面粗糙度降低,晶粒细化,显微硬度与残余压应力提高。     

7075铝合金三种表面强化工艺对比试验

采用机械喷丸、激光冲击强化与深滚压三种表面强化工艺处理7075高强铝合金试样,在表面残余应力水平相当的情况下分析表面粗糙度、表层显微硬度与表层残余应力场的分布特性及对疲劳性能的影响方式与程度。结果表明,表面强化工艺引入的表层残余压应力场的分布合理性及其抵抗外部应力松弛的能力是改善试样疲劳寿命的最关键因素,机械喷丸与激光冲击强化处理的应力影响层浅且表面粗糙度导致的应力集中程度较大,对低周大应力疲劳性能的改善作用较为有限,而深滚压处理的应力场影响层深且具有高的稳定性,可同时改善试样的高周与低周疲劳性能。     

超声滚压工艺研究

超声滚压工艺是一项复合超声冲击强化和滚压于一体的表面强化工艺,其优点是既能得到足够的压力层深度,又能得到较低的表面粗糙度值。研究了不同加工参数对弧高和表面粗糙度的影响,结果表明:步距、静压力和路径规划对弧高和表面粗糙度有着显著的影响,且发现残余压应力分布对于滚压方向敏感,滚压方向的残余压应力比其垂向的残余压应力小。Inconel 718材料经超声滚压强化后的表面粗糙度值可降低至Ra0.1μm,压力层深度可达0.5 mm,且具有较好的热稳定性。     

Experimental study of nonlinear Rayleigh wave propagation in shot-peened aluminum plates—Feasibility of measuring residual stress

Shot-peening is widely used in the aerospace industry to enhance the resistance of structural components to fatigue damage and stress corrosion by putting the outside layer of a component under an initial, residual compressive stress. The ability to measure these near-surface residual stresses is useful from a quality control and certification perspective, and can help predict the fatigue life of shot-peened components. This paper presents experimental results to examine the feasibility of measuring near-surface residual stresses using nonlinear Rayleigh surface waves. Experiments are conducted on aluminum alloy (AA 7075) samples shot-peened at different peening intensities and thus with different levels of residual stresses. The surface roughness of these samples is also measured. The nonlinear ultrasonic results show a large increase in the acoustic nonlinearity parameter, indicating the potential of nonlinear ultrasonics for the in situ measurement of near-surface residual stresses. The effects of surface roughness and the driving frequency on the measured acoustic nonlinearity parameter are briefly discussed. Finally, a preliminary model is used to interpret some experimental results. Future work to evaluate the separate contributions of cold work, residual stress and surface roughness to the total measured nonlinearity is also discussed.     

表面喷丸强化处理对TC11钛合金疲劳性能的影响

目的改善TC11钛合金的抗疲劳性能。方法采用喷丸表面强化工艺对TC11钛合金进行了表面强化处理,研究了喷丸强化处理、喷丸+二次喷丸强化处理对TC11钛合金试样表面粗糙度、残余应力、显微组织及疲劳性能的影响。结果喷丸处理能够在试样表层引入厚度约230?m的残余压应力场,但同时导致试样表面粗糙度值增加。喷丸后进行表面二次喷丸,试样表面残余压应力值和残余压应力峰值提高,但残余压应力峰值的位置和残余压应力层的厚度变化不大。二次喷丸对试样表面起到一定程度的修复作用,使试样表面粗糙度值降低。喷丸后试样表层组织发生明显的塑性变形,晶粒变细,而喷丸+二次喷丸处理可使试样表层组织得到进一步细化。喷丸处理后,试样的疲劳强度由480 MPa提高至540 MPa,提高了12.5%,二次喷丸使试样的疲劳强度提高至570 MPa,在喷丸的基础上继续提高了5.5%。结论喷丸后对试样表面进行二次喷丸对表层残余应力场的影响不大,二次喷丸主要通过降低试样表面粗糙度值和细化试样表层组织,使试样的疲劳强度得到进一步提高。     

表面完整性对马氏体不锈钢疲劳性能的影响

研究了马氏体不锈钢表面喷丸强化后表面粗糙度，表面形貌，表面残余应力和表面层残余压应力场等表面完整性的变化及其对疲劳性能的影响，结果表明：马氏体不锈钢对表面粗糙度比较敏感，经喷丸强化后产生的残余压应力有利于提高疲劳寿命，且采用低喷丸强度时对疲劳性能更加有利。     

喷丸结合振动光整加工工艺对钛合金疲劳性能的影响

目的提高钛合金的疲劳性能。方法采用喷丸结合振动光整加工工艺对TC4钛合金进行了表面加工处理。对未加工试样、经过喷丸处理后的试样和经过喷丸与振动光整加工工艺处理后的试样,分别进行了表面粗糙度、表面层残余应力测试,并对三种状态下的试样进行了旋转弯曲疲劳试验。对比了不同工艺处理后试样的表面粗糙度、表层残余应力及疲劳强度。结果与喷丸工艺相比,采用喷丸结合振动光整加工工艺对试样进行处理后,试样的表面残余压应力值提高了39 MPa,残余压应力峰值、残余压应力层的厚度略有降低。喷丸结合振动光整加工工艺在不明显改变试样残余压应力场的条件下,使试样的表面粗糙度得到大幅降低。疲劳试验结果表明,喷丸工艺使TC4钛合金的疲劳强度提高了16.3%,喷丸结合振动光整加工工艺使TC4的疲劳强度提高了23.8%,比喷丸后TC4钛合金的疲劳强度高出7.5%。结论在喷丸工艺的基础上,喷丸结合振动光整加工工艺通过改善TC4钛合金的表面完整性,使TC4钛合金的疲劳强度得到进一步提高。     

孔挤压强化对Inconel 718高温合金疲劳性能的影响

为了提高Inconel 718高温合金螺栓连接孔的疲劳抗力,研究了孔挤压强化对Inconel 718高温合金中心孔试样疲劳寿命的影响,并采用扫描电镜、粗糙度仪、X射线应力测量仪及金相显微镜等仪器对孔壁表面完整性进行分析,探讨了孔挤压强化机制。结果表明:1.90%挤压过盈量的中心孔试样的中值疲劳寿命是未强化试样中值疲劳寿命的1.16~4.79倍。与2.85%挤压过盈量的试样相比,1.90%挤压过盈量试样取得了更优的疲劳寿命增益效果。分析发现:经1.90%挤压过盈量的孔挤压强化后,孔壁表面完整性得到了显著改善,孔壁表面粗糙度下降了64.2%,孔边形成了较深的残余压应力场,孔边晶粒组织发生了明显的塑性变形,形成了组织强化层。表面完整性的改善对疲劳寿命的增益具有重要作用。     

300M钢表面喷丸强化工艺应用研究

目的 对比和研究300 M钢的铸钢丸和陶瓷丸喷丸强化后的效果,选择合适的300 M钢喷丸强化工艺.方法 采用铸钢弹丸和陶瓷弹丸以不同喷丸强度对300 M钢表面进行喷丸强化,研究对300M钢表面粗糙度、表面残余压应力及疲劳寿命的影响.结果 随着喷丸强度的增大,300 M钢表面粗糙度增大,但在相同或相当的喷丸强度下,采用陶瓷弹丸喷丸强化可获得更小的表面粗糙度;试样表面残余压应力均为先增大后减小,分别在喷丸强度为0.25A和0.2A时达到最大值.在大应力水平试验条件下,两种弹丸不同喷丸强度下的300M钢中值疲劳寿命增益均不明显;在小应力水平试验条件下,两种弹丸不同喷丸强度下的300 M钢中值疲劳寿命增益差异显著,铸钢弹丸喷丸强化最大值达到22,陶瓷弹丸喷丸强化最大值达到38.结论 铸钢丸和陶瓷丸喷丸均可以提高300 M钢的疲劳寿命.相对于铸钢丸喷丸,300M钢的陶瓷丸喷丸后的粗糙度水平更低,疲劳寿命更长.     

喷丸强化后30CrMnSiNi2A钢表面完整性对其抗疲劳性能的影响*

采用气动式喷丸机对铣削加工和磨削加工的30CrMnSiNi2A钢疲劳试样进行喷丸强化处理,利用扫描电镜、表面粗糙度仪和X射线应力测试仪分别对试样的表面形貌、粗糙度和残余应力进行测试,并对不同表面状态的试样进行疲劳试验,分析表面完整性对其疲劳寿命的影响。结果表明:该钢铣削加工时易在表面留下撕裂、鳞刺和折皱等加工缺陷,导致严重的应力集中,试样疲劳寿命较低;喷丸强化处理能有效降低铣削加工试样的表面粗糙度,增加残余压应力水平,从而提高了其疲劳寿命。磨削试样喷丸处理后试样表面残余应力增大,但表面质量大幅下降,疲劳寿命略有降低。     

Influence of Substrate Material on Plain Fatigue and Fretting Fatigue Behavior of Detonation Gun Sprayed Cu-Ni-In Coating

Cu-Ni-In coating was formulated on two substrate materials—Ti-alloy (Ti-6Al-4V) and Al-alloy (AA 6063) fatigue test specimens using detonation gun (D-gun) spray process. Coating on both substrates was dense with low porosity, high hardness, and high surface roughness. Relatively higher surface compressive residual stress was present at the coating on Ti-alloy specimens. In case of the coating on Al-alloy samples, tensile residual stress was also present in some places. Uniaxial plain fatigue and fretting fatigue experiments were conducted on uncoated and coated specimens. The detrimental effect of life reduction due to fretting was relatively larger in the Al-alloy compared to the Ti-alloy. While Cu-Ni-In coating was found to be beneficial on the Ti-alloy, it was deleterious on the Al-alloy substrate under both plain fatigue and fretting fatigue loading. The results were explained in terms of differences in the values of surface hardness, surface roughness, surface residual stress, and friction stress.     

表面粗糙度对动车组车轮钢弯曲疲劳性能的影响

目的分析不同程度的表面损伤对车轮钢疲劳性能的影响程度,为车轮疲劳的预测提供有效指导。方法采用X射线衍射仪测量不同程度表面损伤试样的表面残余应力分布,通过弯曲疲劳试验机对不同表面损伤的试样进行疲劳测试,并采用扫描电镜对断口形貌进行分析。结果 Ra4.1试样表面残余压应力大约为Ra0.7试样的2~3倍。Ra0.7试样疲劳极限为287.5 MPa,Ra4.1试样疲劳极限为280 MPa,前者比后者提高了2.6%。在相同应力下,Ra0.7试样的疲劳寿命至少高出Ra4.1试样一个数量级。Ra0.7试样的疲劳裂纹起裂于表面机加工刀痕,深度约为20?m;Ra4.1试样的疲劳裂纹起裂于表面凹坑,深度约为40?m,直径约为100?m。结论试样表面粗糙度越大,表面损伤越严重,表面残余压应力越大。表面粗糙度等级提高,表面应力集中严重,材料的疲劳性能下降。所有试样均起裂于表面损伤宏观缺陷处,裂纹易于在表面粗糙度大的试样表面形成,向内部扩展速度更快。