丁明超， 張?jiān)? 咸宏偉, 王金龍

(1.大連理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 遼寧 大連 116023； 2.大連海事大學(xué) 輪機(jī)工程學(xué)院, 遼寧 大連 116026)

航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)葉片、大型離心壓縮機(jī)葉片等高端制造裝備對(duì)其關(guān)鍵零部件的表面質(zhì)量要求極其嚴(yán)格，其制造材料對(duì)表面質(zhì)量較為敏感.這些關(guān)鍵零部件在服役前后產(chǎn)生微觀劃痕是難以避免的.雖然微觀劃痕尺寸較小(寬度為幾十微米，深度僅為幾微米)，但在長(zhǎng)期惡劣的服役環(huán)境中以及疲勞循環(huán)載荷下，微觀劃痕極易誘發(fā)裂紋萌生乃至發(fā)生疲勞斷裂[1]，這將對(duì)關(guān)鍵零部件的服役安全造成潛在的威脅.因此，對(duì)含有表面微觀劃痕的關(guān)鍵零部件開展疲勞強(qiáng)度預(yù)測(cè)是保障其服役安全運(yùn)行首要面對(duì)的科學(xué)問題.

眾多學(xué)者在研究表面劃痕對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響上取得了較多的成果.Siebel[2]揭示了劃痕深度與疲勞強(qiáng)度成負(fù)線性的關(guān)系.Mayer等[3]在對(duì)貝氏體軸承鋼進(jìn)行超高周疲勞試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，疲勞裂紋傾向于從加工所產(chǎn)生的劃痕萌生.當(dāng)劃痕深度達(dá)到8 μm時(shí)即可當(dāng)作是疲勞預(yù)裂紋.

1 基于微觀劃痕的疲勞損傷參數(shù)

1.1 Murakami理論

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對(duì)于表面缺陷，ΔKth可利用式(2)表達(dá)，即將σ0替換成2σw得式(3)，σw為材料含有表面缺陷的疲勞強(qiáng)度:

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綜上，Murakami提出了著名的疲勞強(qiáng)度預(yù)測(cè)模型:

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1.2 基于微觀劃痕的

為提出合理評(píng)估微觀劃痕投影面積的方法，應(yīng)首先對(duì)劃痕的微觀形貌特征開展研究.由于微觀劃痕的尺寸處于微米級(jí)別，普通光學(xué)儀器難以呈現(xiàn)表面形貌的三維視圖，劃痕微觀幾何特征描述不夠直觀.本文采用三維光學(xué)干涉儀ZYGO對(duì)劃痕進(jìn)行觀察.ZYGO具有精度高、非接觸式測(cè)量和微米級(jí)檢測(cè)等優(yōu)勢(shì)，可為本文的微觀劃痕研究提供可靠的三維圖形和尺寸測(cè)量等技術(shù)支持.圖2a給出了ZYGO的主要組成部分：表面信息采集器、表面形貌實(shí)時(shí)顯示器和操作系統(tǒng).其中，操作系統(tǒng)可顯示測(cè)量區(qū)域的表面粗糙度參數(shù)、三維視圖以及任意截面的剖面圖如圖2b所示.

圖3a展示了測(cè)量區(qū)域內(nèi)捕捉到的一條微觀劃痕，如深色條帶狀所示.為觀察劃痕截面幾何特征，任意選取劃痕的三個(gè)截面，每個(gè)截面與劃痕走向保持垂直關(guān)系以確保測(cè)量對(duì)象為劃痕真實(shí)截面.圖3b～圖3d給出了三個(gè)截面所對(duì)應(yīng)的剖面圖.由剖面圖可知，實(shí)際劃痕截面具有形狀不規(guī)則和邊緣不規(guī)整的幾何特征.對(duì)于微觀劃痕，在尺寸上寬度是深度的至少6倍以上.

由坐標(biāo)軸可知，劃痕開口位置具有較大的寬度，可達(dá)30 μm，而劃痕谷底寬度僅為幾微米，呈由外向內(nèi)收緊的趨勢(shì).劃痕截面雖然不規(guī)則，但其大致形狀符合三角形的幾何特征.為便于計(jì)算截面面積，認(rèn)為該條劃痕的截面面積可按三角形面積計(jì)算而得.

為了排除圖3由于所選試件的特殊性而使得三個(gè)截面都保持三角形的特征，對(duì)其余試件的表面劃痕形貌進(jìn)行檢測(cè)和觀察，觀察到所有截面仍具有三角形的幾何特征.因此本文將采用三角形近似計(jì)算劃痕截面面積.

實(shí)際劃痕的走向是隨機(jī)分布的，與加載方向嚴(yán)格垂直或平行的劃痕較少，二者存在一定的角度.劃痕走向隨機(jī)分布的特點(diǎn)是因外部力會(huì)以不確定角度作用于材料表面，作用角度依賴于實(shí)際情況而無(wú)規(guī)律可循[7].另外，每條劃痕的長(zhǎng)度也各不相同，外部力作用時(shí)間不等將產(chǎn)生不同的劃痕長(zhǎng)度.實(shí)際劃痕的方向和長(zhǎng)度都依賴于外部力的作用，而外部力作用效果具有很大的隨機(jī)性，無(wú)明顯的分布原則與表征規(guī)律.

在工程實(shí)踐當(dāng)中，部件表面至少存在一條劃痕，多條劃痕共存的情況也是十分普遍的.較大尺寸的劃痕相比于較小的將產(chǎn)生更嚴(yán)重的應(yīng)力集中現(xiàn)象，更容易引起裂紋的萌生.對(duì)于多條微觀劃痕共存的情況，本文不考慮劃痕之間的相互作用，認(rèn)為多條劃痕中具有最大投影面積的劃痕對(duì)疲勞強(qiáng)度的削弱起決定作用.

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結(jié)合Murakami疲勞強(qiáng)度模型，提出基于微觀劃痕的疲勞強(qiáng)度基礎(chǔ)模型:

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2 模型驗(yàn)證

本節(jié)對(duì)模型(7)的預(yù)測(cè)精度進(jìn)行初步驗(yàn)證.采用兩種驗(yàn)證方式：高強(qiáng)度鋼FV520B-I疲勞強(qiáng)度驗(yàn)證試驗(yàn)和Ti-6Al-4V鈦合金現(xiàn)有文獻(xiàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證.

2.1 高強(qiáng)度鋼FV520B-I的驗(yàn)證

高強(qiáng)度鋼FV520B-I廣泛應(yīng)用于各種大型設(shè)備如離心壓縮機(jī)葉片的制造.FV520B-I試件的化學(xué)成分如表1所示.試件的熱處理過(guò)程為：溶液處理1～1.5 h，空氣冷卻；中間處理750～850 ℃，3～3.5 h，油冷卻；時(shí)效處理在(470±10)℃范圍內(nèi)持續(xù)4～5 h，并進(jìn)行空氣冷卻.FV520B-I的維氏硬度(HV)為380 Kgf/mm2.

表1 試件化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

試驗(yàn)采用加載頻率為140 Hz的PLG-100疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)，應(yīng)力比R=-1，室溫(20 ℃).疲勞試件采用最小直徑為6 mm的變截面圓棒，如圖4所示.

當(dāng)試件的疲勞壽命超過(guò)107時(shí)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力幅值定義為疲勞強(qiáng)度，不同劃痕尺寸對(duì)應(yīng)不同的疲勞強(qiáng)度.本次試驗(yàn)?zāi)康臑榇_定不同劃痕尺寸下的疲勞強(qiáng)度，加載應(yīng)力幅值為600，575，550和 525 MPa四種，加載順序由大到小.表2給出了應(yīng)力幅值、Ra和疲勞壽命.

采用掃描電鏡(SEM)對(duì)疲勞斷口觀察分析，疲勞失效均發(fā)生于試件表面，疲勞裂紋始于微觀劃痕根部.

Wang等[8]利用Ra替代表征表面缺陷的投影面積，建立了考慮表面粗糙度對(duì)FV520B-I的疲勞壽命影響的公式.式(8)參數(shù)易得，可較為方便地評(píng)估疲勞損傷.

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表2 疲勞強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果

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2.2 Ti-6Al-4V鈦合金的驗(yàn)證

Ti-6Al-4V因其高比強(qiáng)度、耐腐蝕性和組織相容性等優(yōu)良特性在航空航天領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，如壓氣機(jī)葉片.朱莉娜等[9]采用不同型號(hào)的砂紙打磨Ti-6Al-4V鈦合金試件以產(chǎn)生不同尺寸的微觀劃痕.以微觀劃痕為研究對(duì)象，揭示了劃痕寬深比對(duì)Ti-6Al-4V鈦合金超高周疲勞性能的影響.

試驗(yàn)采用頻率約為20 kHz的TJU-HJI 型超聲疲勞系統(tǒng)，應(yīng)力比R=-1，室溫(20 ℃).實(shí)驗(yàn)采用等截面超聲疲勞試件.Ti-6Al-4V鈦合金的維氏硬度為280 Kgf/mm2.

試驗(yàn)結(jié)果表明Ti-6Al-4V鈦合金在R=-1下疲勞裂紋全部從表面凹痕根部萌生，沒有內(nèi)部萌生的情況.

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表4 Ti-6Al-4V鈦合金疲勞強(qiáng)度預(yù)測(cè)

3 基于微觀劃痕的疲勞強(qiáng)度模型

由上文預(yù)測(cè)結(jié)果可知，本文提出的疲勞強(qiáng)度基礎(chǔ)模型具有一定的預(yù)測(cè)精度，但大部分預(yù)測(cè)誤差仍為10%以上.本小節(jié)將對(duì)基礎(chǔ)模型在微觀劃痕層面上的疲勞強(qiáng)度預(yù)測(cè)進(jìn)行適應(yīng)性修正.

表3和表4中預(yù)測(cè)結(jié)果存在較大差距，前者誤差在10%左右，而后者均為15%以上.本文認(rèn)為造成此預(yù)測(cè)差距的主要原因在于微觀劃痕的測(cè)量方法不同，導(dǎo)致劃痕深寬數(shù)據(jù)的真實(shí)性存在差異.本文在FV520B-I試驗(yàn)中采用ZYGO測(cè)量劃痕深寬，而文獻(xiàn)[9]采用觸針法.由圖3可知，ZYGO可以對(duì)垂直于劃痕走向的截面深寬進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量，在較小誤差范圍內(nèi)其測(cè)量結(jié)果可以真實(shí)反映實(shí)際劃痕深寬.

圖5給出了文獻(xiàn)[9]采用觸針法測(cè)量劃痕截面深寬示意圖.顯然，實(shí)際劃痕的隨機(jī)走向與固定的觸針走向之間很少出現(xiàn)垂直關(guān)系，實(shí)際測(cè)量對(duì)象并非劃痕真實(shí)截面，進(jìn)而導(dǎo)致測(cè)量深寬數(shù)據(jù)在真實(shí)性上存在局限性.相比于三維光學(xué)干涉儀ZYGO，利用觸針法采集劃痕截面深寬數(shù)據(jù)具有較大誤差.

雖然在采集劃痕截面的真實(shí)深寬上具有一定局限性，但觸針法作為一種有效的表面質(zhì)量測(cè)量方式仍被工程實(shí)際應(yīng)用所廣泛接受.因此，基礎(chǔ)模型的適用性修正應(yīng)兼顧該測(cè)量方法對(duì)疲勞強(qiáng)度預(yù)測(cè)的影響，以方便工程應(yīng)用.

基于上述討論，本小節(jié)將以FV520B-I試驗(yàn)數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，對(duì)基于微觀劃痕的疲勞強(qiáng)度基礎(chǔ)模型(7)進(jìn)行適應(yīng)性修正.

據(jù)上討論，結(jié)合兩種材料的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，本文對(duì)位置參數(shù)c進(jìn)行修正，提出基于微觀劃痕的疲勞強(qiáng)度模型:

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表5給出了采用修正后的疲勞強(qiáng)度模型對(duì)FV520B-I試驗(yàn)以及文獻(xiàn)[9]試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行重新預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)誤差均控制在6%以內(nèi).

表5 修正模型的疲勞強(qiáng)度預(yù)測(cè)結(jié)果

4 結(jié) 論

1) 采用ZYGO對(duì)微觀劃痕截面形貌進(jìn)行了觀察，確定劃痕截面具有三角形的幾何特征.