表面粗糙度对构件疲劳强度影响的预测_胡志忠[1].pdf

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1、6.第卷29第期西安交通大学学报Vol附296.15年99月6`AJNATGNVNSEYITOJnO1u599UIRIJANlORULOFX表面粗糙度对构件疲劳强度影响的预测`胡志忠曹淑珍(材料科学与工程学院)(能源与动力工程学院)摘要,为研究表面粗糙度(对疲)劳强度(△的的影响从rFRost规律△尹a~C和稳态th`/2,。疲劳门坎关系△K一2△武a)出发导出了临界粗糙度的凹糟深度R一C/△心和.、一’th2’,R。,△。长短裂纹交界点的深度衅二(△K2/)/c当R小于时稳定在一极大值,,:.△。。;。a:l△。’/`;a:△。h`/2当R在R和之司时=(C/R)当R)时

2、=△K/(2(R))利用t,.固有裂纹长度a。h△。。2:一2一(△K2/)可以得到定量关系心一R若衅计算结果表明其关系与实验结果吻合很好.:疲关键词劳强度粗糙度短疲劳裂纹.:8中国图书资料分类法分类号TGin符号说明裂纹长度;R;表面划痕深度固;R。;有裂纹长度临界表面划痕深度CForst;△。常数疲劳极限应力范围△h;△。。光;凡稳态疲劳门坎棒疲劳极限应力范围的极大值;.。bm指数抗拉强度O前言,,机械零部件的表面加工要求一定的精度和表面质量表面质量除了残余应力之外还有表,.面粗糙度如刀痕、磨痕及显露在表面的各种缺陷不同的表面粗糙度对构件的疲劳强度有明显的影响,表面越粗

3、糙,其疲劳强度越低.如低强度钢,粗车比精磨后的疲劳极限会下降达25%1j[,对高强度钢,在类似的情况下,其疲劳极限下降的幅度会更大.2j[这主要归因于疲劳裂纹过早地在表面加工纹路的凹槽处萌生.表面粗糙度常用不平度的平均偏差或表面加工纹路凹槽的平均深度来标记.iSebel收到日期:193一12一08,胡志忠:男,1941年1月生,金属材料强度国家重点实验室,高级工程师·,国家自然科学基金资助项目第期胡志忠等表面粗糙度对构件疲劳强度影响的预测。。,和提出一个临界凹槽深度的概念圈当表面纹路凹a槽的最大深度小于时其.、,光△。。棒疲劳极限稳定在一最大值但不同的材料状态加载状态及加工

4、方式等都会影响0R的大小.因此R。就成为疲劳极限的一个重要参量.,a按短疲劳裂纹的观点可用IEHaddd等闭提出的一种修正关系来计算短裂纹或表面粗,:糙度的疲劳极限如下式`、h兀a。’`2△=△K/(y((R+)))(l),t式中△。为当表面纹路的凹槽深度为R时的疲劳极限应力范围(以下简称疲劳极限)△K卜为长裂纹的门坎应力强度因子范围,简称稳态门坎.y为形状因子,对表面刀痕可取y一1.12a。,:Smith称为材料的固有裂纹长度由下式决定a。,h兀,/2叮。’=(△K/(夕△))(2),.上R。述关系可用来预测不同粗糙度的疲劳极限但难以确定的大小,.R。本文试图用定量的关系

5、来预测不同粗糙度的疲劳极限并建立与材料性能的关系1定量关系推导,,对于裂纹试样的疲劳极限△。Frost提出了一个适用于绝大多数材料的著名关系:5[如下:式△J3a=C(3),,、,.ast式中为裂纹长度C为材料常数或称For常数它适用于长短裂纹更适用于短裂纹困用a,:凹槽深度R代替则不同表面粗糙度的疲劳极限为△。一R)告(4)c(/,。。。,。,:当R小于一定值之后△一△这时R一R则有R。。5)=C/△言(,.,若有一系列小裂纹“对应的疲劳极限△。数据则C值可求有了C值按(4)式可以计算不同.,,△。。R。粗糙度下的疲劳极限若有经精抛光后测得的疲劳极限则可以按(5)式估算的

6、值从而为关键零部件的设计加工提供依据和安全判据.,.y记/2、如果表面凹槽较深或有意外的刀痕这时应考虑长裂纹的影响由于表面凹槽的,:2故长裂纹或稳态疲劳门坎应力强度因子范围可表示为thJa`/2△K=2△()(6)同:(3)式联立解得a:th6Z=(△K/2)/C(7),.,,.a:(7)式表明ha:a:为长短裂纹交界点的裂纹长度若已知C和△凡则可求通常在1mm.,,。a:;R>a::以下若表面凹槽深度R

7、:(9)式表明了和之间的定量关系西安交通大学学报第2卷92应用举例,,为了研究不同表面粗糙度的疲劳极限的变化规律文献[2〕选用了30rCiNZMoV钢经,,,,,,85oC淬火610C回火其抗拉强度。b为844MPa屈服强度。为710MPa晶粒度为8级其尺寸、20拼m.所有经机加工后的试样在疲劳试验前均经过590C4h的去应力处理.疲劳试验采用两种方式:弯曲疲劳和拉压疲劳.其应力比分别为。.1和一1,试验细节可参1..,,t.201△。。a△K卜0a百;阅文献[]当应力比为时精抛光后的一824MP稳态门坎一6MPm