抗疲勞制造是指構(gòu)件從制造加工到組合裝配過程中，以提高疲勞強度，延長疲勞壽命為重要指標(biāo)，遵從“無應(yīng)力集中”的抗疲勞概念，通過化學(xué)、物理、機械等方式，提高材料的表面強度與韌度的同時直接引入殘余壓應(yīng)力，從而控制工件表面完整性，最終得到無應(yīng)力集中的長壽命結(jié)構(gòu)件，如航空動力系統(tǒng)轉(zhuǎn)動構(gòu)件（如葉片、輪盤、軸等），傳動構(gòu)件（如主軸承、齒輪等）以及主承力構(gòu)件（如飛機起落架、動載螺栓等）。本文提出了針對影響表面應(yīng)力的另一重要因素——初始殘余應(yīng)力——的控制方法：在抗疲勞強化前，應(yīng)用頻譜諧波定位時效的方式降低和均化初始殘余應(yīng)力，從而直接影響并改善最終的抗疲勞強化效果，繼而運用X射線衍射殘余應(yīng)力檢測方法搭配電解拋光技術(shù)，對“頻譜諧波定位時效+噴丸強化”的效果進行對比評估，證明了前述方法的有效性。

殘余應(yīng)力與抗疲勞制造

眾所周知，構(gòu)件工況下承受的應(yīng)力是殘余應(yīng)力與外部載荷應(yīng)力的合力，在表面形狀、材料、組織、溫度不連續(xù)，或塑性變形不均勻的地方會出現(xiàn)應(yīng)力局部增大的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象叫做應(yīng)力集中。其中，表面殘余應(yīng)力由材料、加工狀態(tài)、載荷歷程決定，外部載荷應(yīng)力受幾何形狀、工況等因素影響較大。殘余應(yīng)力對疲勞強度的影響因條件和環(huán)境的不同而改變。它與殘余應(yīng)力分布規(guī)律和量值、材料的彈性性能、外來作用的狀態(tài)等因素有關(guān)。當(dāng)我們研究殘余應(yīng)力對疲勞的影響時既要考慮宏觀殘余應(yīng)力的影響，也要考慮微觀殘余應(yīng)力的影響。

可以認為，宏觀殘余應(yīng)力在初期暫時與作用的交變應(yīng)疊加，改變應(yīng)力水平，較大的影響著疲勞壽命。而由微觀組織不均勻性所造成的殘余應(yīng)力，在應(yīng)力交變過程中，會使微觀區(qū)域內(nèi)的塑性變形積累，使該部分產(chǎn)生應(yīng)力集中，并使組織內(nèi)發(fā)生裂變。

為了獲得理想的表面壓應(yīng)力分布，提高零件抗疲勞壽命，多采用滾壓、擠壓、噴丸等機械方式產(chǎn)生冷變形及硬化層，或者采用高能束處理的加工方式。工業(yè)界廣泛應(yīng)用的機械噴丸（Shot Peening，簡稱噴丸）強化工藝是一種有效的表面微動防護手段，它通過對零件表層實施沖擊與冷擠壓而使表層冷作硬化和產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力。

中航工業(yè)黎明開展了利用振動光飾和光整工藝改善其表面殘余應(yīng)力等技術(shù)狀態(tài)的實踐探索。在光飾設(shè)備上采用120#專用磨料，對盤件進行了光飾加工，其作用效果明顯。由圖1可以看出，光飾前各檢測位置的殘余應(yīng)力分布差異較大，最大應(yīng)力差值達到1000MPa，應(yīng)力分布趨勢呈現(xiàn)“W”型；光飾加工后雖然明顯改變了各點的殘余應(yīng)力狀態(tài)，但各點應(yīng)力差值仍然很大（接近1000MPa），且基本延續(xù)了光飾加工前的“W”型應(yīng)力分布規(guī)律?？梢?，光飾加工引入了一定幅值的壓應(yīng)力變化量，但并未改變原有初始殘余應(yīng)力與機加殘余應(yīng)力等造成的應(yīng)力不均問題，且該問題仍然會對“抗疲勞”效果產(chǎn)生不利影響。

表面殘余應(yīng)力的成因

工件表面殘余應(yīng)力是復(fù)雜因素綜合影響的結(jié)果——成型階段及熱處理造成的構(gòu)件整體初始殘余應(yīng)力、切削加工階段的擠壓作用與切削熱在表面硬化層形成的機加應(yīng)力、抗疲勞表面處理工藝引入的表面壓應(yīng)力，上述三者在構(gòu)件表面一定深度內(nèi)的順序引入與相互耦合，共同作用產(chǎn)生最終的表面殘余應(yīng)力。材料、幾何尺寸和加工工藝確定后，上述三種殘余應(yīng)力中，初始殘余應(yīng)力在時間順序上被最先引入，并決定了構(gòu)件整體的殘余應(yīng)力大小、狀態(tài)與分布；其次是機加殘余應(yīng)力，它受初始殘余應(yīng)力的影響，決定了構(gòu)件淺表層殘余應(yīng)力的分布規(guī)律（如圖表2、3）；最后是抗疲勞表面應(yīng)力，在終了工序之前在指定區(qū)域的淺表面引入壓應(yīng)力狀態(tài)。

抗疲勞制造工藝優(yōu)化對比實驗

頻譜諧波定位時效與熱時效的效果對比：

圖4為某航空高溫合金盤環(huán)類構(gòu)件（粗加工狀態(tài)），其加工路線為：環(huán)軋成型——>熱處理——>粗加工——>半精加工*——>熱時效# *——>精加工——>噴丸*。為了均化和改善噴丸加工前的殘余應(yīng)力分布，有效提高其抗疲勞制造效果，在半精加工后采用頻譜諧波定位時效（均化工藝）代替熱時效工藝；采用X射線衍射殘余應(yīng)力無損檢測方法，采用直接檢測的方式對比頻譜諧波定位時效與傳統(tǒng)熱時效工藝對殘余應(yīng)力的均化效果；最終在噴丸完成后，通過逐層剝離檢測的方式對定位時效、噴丸工藝就殘余應(yīng)力的綜合作用效果進行評估（檢測環(huán)節(jié)為上標(biāo)“*”處）。

圖4所示是某航空高溫合金材料經(jīng)過成型制造、熱處理和半精加工階段的切削后的殘余應(yīng)力。由于受到初始殘余應(yīng)力與切削殘余應(yīng)力的影響，半精加工后構(gòu)件表面的殘余應(yīng)力既有拉應(yīng)力（暖色區(qū)域）也有壓應(yīng)力（冷色區(qū)域），平面上最大主應(yīng)力與最小主應(yīng)力的應(yīng)力差超過500MPa，且分布極為不均勻——45°、120°、270°附近色階變化明顯，此區(qū)域的應(yīng)力梯度較大。上述拉應(yīng)力有助于裂紋的萌生并加速其擴展（如圖5），不利于構(gòu)件的疲勞強度及壽命；較大的應(yīng)力梯度與不均勻的殘余應(yīng)力分布一方面有可能與工況下的應(yīng)力耦合，造成應(yīng)力集中，另一方面，該殘余應(yīng)力將與后續(xù)抗疲勞加工方法引入的壓應(yīng)力疊加，在成品上仍然表現(xiàn)出不均勻性，影響最終的抗疲勞效果。

為了解決上述問題，在半精加工完成后進行傳統(tǒng)熱時效與頻譜諧波定位時效的對比試驗，主要目的是評價兩種時效工藝對殘余應(yīng)力的均化效果。通過X射線衍射法檢測分別對經(jīng)過熱時效和頻譜諧波定位時效處理的一個構(gòu)件進行殘余應(yīng)力檢測，并繪制為以色階代表殘余應(yīng)力狀態(tài)與幅值的應(yīng)力云圖（如圖6）。

在對比試驗中可以得出如下結(jié)論：

熱時效構(gòu)件處理前后的殘余應(yīng)力下降率（平均）為48%，頻譜諧波定位時效為35%，因此，單就殘余應(yīng)力幅值的抑制效果來評價，傳統(tǒng)熱時效更有優(yōu)勢；

熱時效與頻譜諧波定位時效的殘余應(yīng)力均化度（整體）分別為43%和49%，兩種時效工藝對構(gòu)件整體殘余應(yīng)力的均化作用效果接近，頻譜諧波定位時效略占優(yōu)勢；

仔細觀察工藝對比構(gòu)件失效后的應(yīng)力云圖，可以發(fā)現(xiàn)頻譜諧波定位時效工藝構(gòu)件沿徑向和周向的應(yīng)力分布更為平緩均勻，沒有明顯的色差（應(yīng)力梯度）。但熱時效工藝構(gòu)件繼承了在45度與270度附近的應(yīng)力梯度，造成局部的應(yīng)力不均勻。

在本次試驗對比中，相比于傳統(tǒng)的熱時效工藝，頻譜諧波定位時效更能達到殘余應(yīng)力的均化效果，有助于后續(xù)的抗疲勞加工工藝。

噴丸強化效果及殘余應(yīng)力評價

噴丸強化工藝可以在材料表面引入一定幅值和深度的壓應(yīng)力，一般在構(gòu)件加工過程臨近結(jié)束前實施，可以有效改善表面完整性，提高疲勞壽命與強度。由于噴丸強化對金屬構(gòu)件的作用厚度一般在零至數(shù)百微米深度，為了檢測這一范圍內(nèi)不同深度的殘余應(yīng)力，從而詳盡勾勒三維殘余應(yīng)力分布規(guī)律。采用電解拋光方式對表面材料進行無應(yīng)力的逐層剝離（單次剝離深度25～50um），在此過程中使用X射線衍射法（檢測深度<10um），對不同深度殘余應(yīng)力進行檢測。

構(gòu)件材料為鎳基合金，采用北京翔博科技提供的X-2型電解液對材料表面進行電解拋光，并針對實驗構(gòu)件的材料建立拋光深度-時間關(guān)系，以達到對殘余應(yīng)力的逐層檢測的目的。

X射線衍射法針對鎳基合金的311晶面采用Mn靶材Ka射線，衍射角度為155°，采用互相關(guān)法峰形擬合方式。

圖7、8所示為沿深度方向檢測殘余應(yīng)力分布曲線，對比兩種時效方式對應(yīng)力的噴丸強化后殘余應(yīng)力分布規(guī)律如下：

被測構(gòu)件表面及一定深度內(nèi)呈現(xiàn)壓應(yīng)力狀態(tài)，證明兩種時效方式對應(yīng)的噴丸強化工藝均可以引入一定幅值的壓應(yīng)力，

噴丸后的應(yīng)力隨深度變化呈現(xiàn)“半S型”分布規(guī)律，作用深度約為150um，最大應(yīng)力-300～-400MPa，均出現(xiàn)在50～100um之間，

比較兩種構(gòu)件的表面殘余應(yīng)力可以發(fā)現(xiàn)，熱實效構(gòu)件表面應(yīng)力范圍為-150～-300MPa，頻譜諧波定位時效構(gòu)件表面應(yīng)力范圍為-250～300MPa，且0～150um深度的殘余應(yīng)力分布離散度較小。

由此可見，相比于傳統(tǒng)熱實效，頻譜諧波定位時效的效果更有利于降低和均化強化工藝實施前的初始殘余應(yīng)力分布，有利于抗疲勞制造及其強化工藝效果的有效性與一致性。

據(jù)統(tǒng)計，90%以上的結(jié)構(gòu)強度破壞問題都是由疲勞失效引起的，造成無以估量的損失。大量的試驗研究和疲勞破壞事故表明，疲勞源總是出現(xiàn)在有應(yīng)力集中的地方，使疲勞強度大大降低，這說明應(yīng)力集中對疲勞強度有很大的影響。本文以抑制構(gòu)件整體應(yīng)力水平從而避免應(yīng)力集中為出發(fā)點，從殘余應(yīng)力控制的角度，提出了利用頻譜諧波定位時效優(yōu)化原有抗疲勞制造工藝的技術(shù)方案，并采用X射線法采集殘余應(yīng)力檢測數(shù)據(jù)，直接證明了上述優(yōu)化路徑的有效性，同時也間接凸顯了頻譜諧波定位時效與殘余應(yīng)力檢測兩項技術(shù)在抗疲勞制造領(lǐng)域的應(yīng)用價值與前景。