1、表面噴丸強化構(gòu)件微動疲勞裂紋萌生傾角理論分析摘 要：通過對微動疲勞裂紋計算模型的分析與研究,結(jié)合Giannakopoulos理論基礎和數(shù)值 模擬分析，將噴丸形成的殘余壓應力引入“裂紋近似模型對噴丸強化前后微動疲勞試樣裂紋 萌生傾角進行解析，并與試驗結(jié)果進行對比.同時，從生長過程角度對小傾角裂紋在提升試樣微 動疲勞性能中的優(yōu)勢進行論述結(jié)果顯示，考慮殘余應力影響后,Giannakopoulos理論模型在微動 裂紋萌生傾角分析中具有良好適用性，同時說明了噴丸引入的表層殘余應力是造成微動裂紋傾 角改變的主要原因.關鍵詞：微動疲勞；裂紋分析模型；殘余應力；萌生傾角微動疲勞是緊固件在循環(huán)載荷作用下，連接部

2、位發(fā)生微幅相對位移(200 .m)而導致的過早疲勞失 效形式，由于存在廣泛且危害巨大，所以被稱為“工業(yè)的癌癥”.微動疲勞的壽命預估一直是備受工程領 域關注的問題S.如何對關鍵參數(shù)進行提取和分析，進而搭建起行之有效、便于應用的壽命預測理論模 型,歷來是學界面臨的一大難題.Waterhouse等在研究噴丸對2014A鋁合金微動疲勞性能的影響因素 時發(fā)現(xiàn)，噴丸前試樣裂紋與微動表面呈50。-66。角萌生,噴丸后裂紋萌生傾角則轉(zhuǎn)為18。-33,但這僅僅 是對實驗現(xiàn)象進行描述，并未對其形成機理進行深入研究分析.此后，盡管也有許多針對微動疲勞裂紋行 為的研究工作申刃，但從關于噴丸處理如何影響微動裂紋萌生角度

3、，至今仍鮮有研究.考慮到裂紋形態(tài)很 可能是影響試樣微動疲勞性能的重要因素，因此有必要對其進行深入探討,為微動疲勞的失效分析和性 能評估奠定一定基礎.1微動疲勞裂紋理論模型目前研究者的關注熱點主要集中在微動疲勞的第一、二階段(裂紋萌生及初期擴展)，而第三階段通 常采用線彈性斷裂力學理論描述，第四階段則很少進行研究.總體來看，微動疲勞裂紋的分析理論模型可 大致分為三類：基于應力/應變的模型(Stress/strain-based models):其核心思想是裂紋萌生于某一應力(幅)或應 變(幅)最大的平面，如法向應力和應變最大的平面,最大剪切應力幅或最大剪切應變幅所在的平面等此 類模型主要以裂紋萌

4、生壽命為預測對象，傾向于將微動滑移、微動摩擦功或微動磨損等作為控制微動疲 勞的關鍵參數(shù)，采取以經(jīng)驗公式的形式來建立關鍵參數(shù)與裂紋萌生壽命之間的聯(lián)系，并通過后續(xù)試驗進 行檢驗與修正.基于斷裂力學的模型(Fracture mechanics-based models):其主要思路為：微動疲勞裂紋萌生于接 觸應力的集中部位,并在萌生初期沿著與拉應力成一定傾角的最大剪應力方向擴展,這一階段裂紋的擴 展速率和深度都非常小,因而在該階段消耗掉的疲勞壽命也相對較低.隨后裂紋擴展速率加快,擴展深度 遠大于前一階段,疲勞壽命主要在此階段消耗.此類模型以裂紋擴展壽命為預測主體，將微動疲勞問題簡 化為局部應力集中情

5、況下的純疲勞問題，更注重對裂紋擴展過程的解析.然而從本質(zhì)上看，前兩類模型都存在一定的自身局限性.雖然裂紋萌生與應力/應變密切相關，但是 裂紋形核后會對周邊應力的狀態(tài)產(chǎn)生影響，而且當裂紋生長至一定尺寸后，純應力分析已不再適用；而后 者將微動疲勞命抽象為已形核裂紋的生長過程，卻忽略了其萌生階段,也失之偏頗.因此基于上述情況, Giannakopoulos8,9創(chuàng)造性地將應力/應變分析與斷裂力學方法相結(jié)合，以位錯理論為基礎，提出第三類模 型一裂紋近似模型.(3)裂紋近似模型(Crack-analogue models) : Giannakopoulos針對微動疲勞中常見的面一面接觸形 式，建立二維矩

6、形微動塊與基體接觸的力學模型，如圖1所示.接觸長度為2a,單位長度法向及切向載荷 分別為 和Q,基體外加循環(huán)應力為(咿.此類接觸模型在法向載荷作用下，邊緣接觸應力分布類似于 Williams”提出的I型裂紋尖端應力場；在剪切載荷作用下，邊緣接觸應力分布與Kannine/11和 Anderson2等提出的2型裂紋尖端應力相似.基于上述發(fā)現(xiàn),Giannakopoulos引入一種二維雙側(cè)裂紋試樣 模型(圖2)來模擬矩形微動塊/基體接觸系統(tǒng).兩裂紋間距為2a,在法向、切向載荷P和#作用下，裂紋尖 端I型、2型的應力強度因子分別為81、K2，基體外加應力為(9即.Giannakopoulos模型的優(yōu)越性

7、在于，通 過搭建微動接觸模型邊緣應力場與裂紋尖端應力場的聯(lián)系，將裂紋萌生區(qū)的應力效應與裂紋強度的因子 影響有機結(jié)合，不但可應用于疲勞壽命預測，而且也可用于裂紋萌生初期及后續(xù)階段的擴展角度分析.圖1二維矩形微動塊與基體接觸示意圖圖1二維矩形微動塊與基體接觸示意圖A圖2二維矩形微動塊與基體接觸的裂紋近似方法一 二維雙側(cè)裂紋模型102微動疲勞裂紋萌生傾角計算與討論在典型微動疲勞條件下，法向載荷P通常為定值，而切向載荷#則為循環(huán)變量.假設已形核裂紋與接觸表面成角生長，則有.33,bsin.33,bsinsin x(22 )吼。33,”cos3 cos22T #max*(1)其中為接觸界面摩擦系數(shù)WE,

8、為最大切向載荷將對應的)值代入式(1),即可解出3,” .對于噴丸試 樣來說,由于引入表層殘余壓應力，導致試樣局部的應力分布發(fā)生變化.眾所周知,殘余壓應力最為直接 的作用就是抵消了部分外加拉應力，進而對局部應力狀態(tài)產(chǎn)生影響.因此,如果想將殘余應力效應引入 Giannakopoulos裂紋分析模型，那么就需通過合理途徑實現(xiàn)二者疊加.根據(jù)經(jīng)典接觸理論，在圖1所示的二 維平面接觸條件下，接觸區(qū)拉應力來源于切向載荷Q,且最大拉應力在接觸邊緣產(chǎn)生.Giannakopoulos等囪 研究表明，最大拉應力(max與切向載荷。的關系可表達如下：(max=戰(zhàn)( 2)K 一 ( 2)此處，可以把殘余壓應力與切向載

9、荷#形成的最大拉應力(max疊加,最終表達式為333333,”cos3 cos22T Q*( 3)其中,為等效最大切向載荷.采用ABAQUS軟件進行建模，選用3維8節(jié)點線形減縮積分實體單元.直接加載循環(huán)載荷最大值為 10 kN.所選參數(shù)為：彈性模量E =121 GPa,泊松比丁 = 0.3,加力后的模型如圖3所示.該模型所對應的接 觸長度為:2K = 8. ?8, a/b = 0. 9.原始(Aseceived/AS)及噴丸(Shot_peened/SP)試樣的摩擦系數(shù)分別為： )vs= 0. 75 ,四 =0. 6.將后者帶入數(shù)值模型,采用經(jīng)典庫倫模型進行求解,并提取榫頭接觸區(qū)拉應力分布,

10、如圖4所示.可以看出，最大拉應力產(chǎn)生于接觸區(qū)邊緣，與理論分析吻合，最大拉應力值達到983 MPa.由文獻13可知，表層25呻內(nèi)殘余壓應力的取值范圍：-600 MPa（-700 MPa（負號“-”僅代表方 向）因此，噴丸試樣表層的實際拉應力為383 MPa（ij （283 MPa.S, Mises (Avg: 100%) +9.510e+02 + 8.718e+02+8.oooe+oi +8.207e-01圖4S, Mises (Avg: 100%) +9.510e+02 + 8.718e+02+8.oooe+oi +8.207e-01圖4榫頭接觸區(qū)拉應力分布圖3榫型試樣微動疲勞接觸有限元模型將

11、上述各中參數(shù)值帶入式（1） 3）,借助運算軟件Maple 17計算得到原始及噴丸試樣裂紋的萌生傾 角，如表1所示對比圖5可知，除SP/36. 19。46.04。（噴丸試樣中未觀察到對應裂紋）夕卜,其余理論計算 值均與試驗觀察結(jié)果13吻合良好由此可見,噴丸引入后產(chǎn)生的表層殘余壓應力是造成微動裂紋傾角改 變的主要原因.圖5圖5原始及噴丸試樣各微動階段裂萌生傾角成表1原始及噴丸試樣裂紋萌生傾角計算值（含試樣觀察結(jié)果）8試樣裂紋萌生傾角/。理論計算值試樣觀察結(jié)果理論計算值試樣觀察結(jié)果AS48.3250-83.75( 80)80SP18.6124.042036. 19-46.04/3結(jié)論結(jié)合Giannakopoulos理論基礎和數(shù)值模擬分析，通過對現(xiàn)有