在航空工業(yè)中，金屬材料的疲勞破壞是航空發(fā)動機(jī)零部件的主要失效形式之一，對飛行安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅，如何有效抑制疲勞裂紋的擴(kuò)展，提高金屬構(gòu)件的疲勞壽命，成為了航空工業(yè)領(lǐng)域的重要研究方向。由于金屬材料的疲勞裂紋通常在材料表面萌生，于是人們開發(fā)了各種表面處理和改性技術(shù)，其中噴丸強(qiáng)化作為一種表面處理技術(shù)，通過高速噴丸撞擊材料表面，在變形表面層中引入高的殘余壓應(yīng)力，能夠抵消外載荷的部分拉應(yīng)力，顯著提高材料的疲勞強(qiáng)度、抗應(yīng)力腐蝕性能及顯微硬度，從而改善材料的疲勞性能。因此，噴丸強(qiáng)化工藝在機(jī)械制造、航空航天、汽車工業(yè)等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。噴丸強(qiáng)化技術(shù)作為一種高效且應(yīng)用廣泛的表面改性技術(shù)，其引入的高殘余壓應(yīng)力在改善材料疲勞性能方面展現(xiàn)出了顯著優(yōu)勢，針對金屬材料在殘余應(yīng)力場下的疲勞裂紋擴(kuò)展行為，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了深入研究。徐明、李松夏等研究發(fā)現(xiàn)激光沖擊強(qiáng)化能夠給材料表面帶來較大殘余壓應(yīng)力，減小裂紋尖端局部載荷，提高材料的疲勞壽命。胡俊等發(fā)現(xiàn)噴丸引入的殘余壓應(yīng)力能夠?qū)啽砻娌牧媳砻娴牧鸭y進(jìn)行閉合修復(fù)，使材料的疲勞強(qiáng)度得到恢復(fù)。FARRAHI

等研究了噴丸強(qiáng)化對

60SC7

彈簧鋼扭轉(zhuǎn)殘余應(yīng)力分布和疲勞壽命的影響，發(fā)現(xiàn)疲勞壽命與殘余應(yīng)力分布曲線下的面積之間具有存在相關(guān)性。相比試驗(yàn)研究，數(shù)值仿真分析方法不僅成本小，周期短，而且能夠定量分析殘余壓應(yīng)力的強(qiáng)化作用。王成等通過建立并聯(lián)合緊湊拉伸（CT）試樣三維有限元模型和對稱胞元噴丸有限元模型，分析出噴丸強(qiáng)化誘導(dǎo)的殘余壓應(yīng)力場能夠有效抑制

AISI304

不銹鋼的疲勞裂紋擴(kuò)展，并且對比了不同噴丸工況與外加載荷工況對疲勞裂紋擴(kuò)展速率的抑制作用。周曉剛等基于殘余壓應(yīng)力及晶界介微觀尺寸對微裂紋擴(kuò)展的阻滯作用，對

Paris

公式進(jìn)行修正，建立了激光噴丸處理后疲勞微裂紋擴(kuò)展預(yù)測模型，分析發(fā)現(xiàn)隨著噴丸次數(shù)增加，TC4

鈦合金的疲勞強(qiáng)度增大，疲勞壽命延長，斷裂方式由脆性斷裂向韌性斷裂轉(zhuǎn)變。Fan

等考慮殘余應(yīng)力和離心力的線性疊加，利用

FRANC3D

軟件模擬了不同圓盤的裂紋擴(kuò)展行為，該結(jié)果與試驗(yàn)表面復(fù)型的斷裂后外推結(jié)果一致，證明了該方法的可行性和準(zhǔn)確性。這些工作為研究噴丸強(qiáng)化對材料疲勞性能的影響提供了重要理論依據(jù)與實(shí)踐指導(dǎo)。目前，關(guān)于噴丸強(qiáng)化的研究多針對表面完整且無明顯缺陷的試驗(yàn)件，而本研究針對含缺陷模擬件開展研究，設(shè)計(jì)兩種不同的缺陷尺寸，且疲勞試驗(yàn)參數(shù)參考某型渦扇航空發(fā)動機(jī)風(fēng)扇盤的實(shí)際服役工況，與現(xiàn)有文獻(xiàn)中的參數(shù)設(shè)置存在差異，故而本研究具有更高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。本文通過開展在不同殘余應(yīng)力場下含缺陷模擬件的裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)，獲得材料的裂紋萌生和擴(kuò)展特性；基于斷裂力學(xué)仿真軟件

FRANC3D

進(jìn)行考慮殘余應(yīng)力的裂紋擴(kuò)展數(shù)值模擬，采用一種考慮閉合效應(yīng)的裂紋擴(kuò)展速率模型，預(yù)測裂紋的擴(kuò)展路徑和擴(kuò)展壽命。通過試驗(yàn)與仿真相結(jié)合的方法，研究噴丸強(qiáng)化對

TC4

鈦合金疲勞裂紋擴(kuò)展行為的影響機(jī)制，為后續(xù)全尺寸風(fēng)扇盤旋轉(zhuǎn)疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)提供數(shù)據(jù)支持。1

試驗(yàn)方法1.1

模擬件設(shè)計(jì)風(fēng)扇盤試驗(yàn)件采用的材料為

TC4

鈦合金，根據(jù)國標(biāo)

GB/T3621-2022與拉伸試驗(yàn)測量結(jié)果，室溫下該材料的力學(xué)性能參數(shù)如表

1

所示表

1TC4

材料參數(shù)考慮風(fēng)扇盤結(jié)構(gòu)的軸對稱特性，僅取風(fēng)扇盤周向

1/18

部分，并采用具有相同質(zhì)心的模擬葉片代替真實(shí)葉片，進(jìn)行有限元分析。帶有模擬葉片的局部風(fēng)扇盤有限元模型如下圖

1a

所示，模型共包含

34825

個(gè)節(jié)點(diǎn)，26122

個(gè)單元。風(fēng)扇盤的試驗(yàn)條件如下，試驗(yàn)溫度：室溫，最大轉(zhuǎn)速：3767r/min，最小轉(zhuǎn)速：188r/min（上限轉(zhuǎn)速的

5%）。在風(fēng)扇盤的周向端面施加周向位移約束以模擬對稱邊界條件，在安裝邊設(shè)置軸向約束以模擬風(fēng)扇盤安裝在試驗(yàn)工裝上，風(fēng)扇盤上中心孔周向應(yīng)力如圖

1b

所示，最大周向應(yīng)力為

369.95MPa。圖1

局部有限元模型（a）及上中心孔處周向應(yīng)力分布（b）從風(fēng)扇盤試驗(yàn)件同胚多余材料中取樣，參考風(fēng)扇盤上中心孔處周向應(yīng)力分布，設(shè)計(jì)加工模擬件試樣，最終設(shè)計(jì)得到的模擬件結(jié)構(gòu)如下圖

2a

所示。試樣加工過程中要求表面粗糙度與

TC4

風(fēng)扇盤保持一致，采用電火花方法對模擬件試樣加工初始缺陷，缺陷預(yù)制位置為圓弧面中心，裂紋面法向平行于試樣加載方向，預(yù)制缺陷形狀為半圓形裂紋，如圖

2b

所示。圖2

模擬件試樣尺寸（a）及預(yù)制缺口示意圖（b）模擬件建模采用六面體單元，網(wǎng)格大小約

0.5mm，模型共包含

74025

個(gè)節(jié)點(diǎn)，67200

個(gè)單元，如圖

3a所示，所有六面體單元類型均為

SOLID185。在模擬件對稱面施加對稱載荷，上、下兩端施加拉伸載荷，載荷設(shè)置為

73.39kN，計(jì)算結(jié)果如下圖

3b

所示，最大拉伸應(yīng)力為

371.76MPa。輪盤最大周向應(yīng)力和模擬件最大拉伸應(yīng)力誤差為

0.49%，因此，模擬件能很好模擬上中心孔應(yīng)力分布情況。圖3

模擬件有限元模型（a）及局部模型拉伸應(yīng)力分布（b）1.2

噴丸及殘余應(yīng)力測試使用

1500TX

數(shù)控噴丸機(jī)對模擬件試樣圓弧表面分別進(jìn)行兩種強(qiáng)度的噴丸強(qiáng)化處理，工藝參數(shù)如表

2所示，噴丸過程參照航空標(biāo)準(zhǔn)

HB/Z26

航空零件噴丸強(qiáng)化工藝。其中，P

為噴丸壓力，Q

為流量，為噴丸角度，D

為噴丸距離，R

為噴嘴半徑。表

2

兩種噴丸強(qiáng)化的工藝參數(shù)噴丸后，利用

Proto-LXRD

型

X

射線應(yīng)力分析儀，通過剝層法測量殘余應(yīng)力，分別在距離表面

50μm、100μm、150μm、200μm、250μm

的位置，每層選取

A、B

兩個(gè)測量點(diǎn)，各測點(diǎn)均測量兩次并記錄，獲得不同噴丸強(qiáng)度和不同深度下殘余應(yīng)力的分布情況，為后續(xù)裂紋擴(kuò)展仿真分析提供輸入數(shù)據(jù)。1.3

疲勞試驗(yàn)在電液伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)

Instron8801

上開展不同缺陷尺寸、不同噴丸強(qiáng)度下的模擬件疲勞試驗(yàn)，測量獲得

TC4

材料在有無噴丸處理下的裂紋萌生與裂紋擴(kuò)展壽命。試驗(yàn)條件為室溫，應(yīng)力比

R=0.05，載荷峰值為

73.39kN，對應(yīng)的截面拉伸應(yīng)力為

305.8MPa，試樣加工方法及初始裂紋尺寸如表

3

所示。表

3

模擬件加工方式試驗(yàn)初始階段，每

1000

次循環(huán)中斷一次試驗(yàn)，觀察測量模擬件表面裂紋長度并記錄相關(guān)數(shù)據(jù)，假定裂紋萌生尺寸為

0.38mm，當(dāng)單邊裂紋擴(kuò)展長度

0.19mm

時(shí)，所經(jīng)歷的循環(huán)次數(shù)記為裂紋萌生壽命。若單次測量裂紋擴(kuò)展長度增加超過

0.19mm，依次減小測量間隔至

500

循環(huán)，250

循環(huán)，100

循環(huán)，當(dāng)裂紋擴(kuò)展至較大尺寸（單邊大于

4mm），停止試驗(yàn)。2

裂紋擴(kuò)展壽命數(shù)值模擬通過疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)，可以觀察到噴丸強(qiáng)化工藝對模擬件疲勞壽命的影響，為了進(jìn)一步分析噴丸強(qiáng)化對

TC4

材料疲勞裂紋擴(kuò)展的強(qiáng)化機(jī)理，采取數(shù)值仿真分析方法研究模擬件的裂紋擴(kuò)展路徑，并進(jìn)行疲勞壽命預(yù)測。2.1

殘余應(yīng)力輸入采用

X

射線方法進(jìn)行模擬件試樣的殘余應(yīng)力測試，將每種噴丸強(qiáng)度下試樣的測量結(jié)果進(jìn)行平均，得到的殘余應(yīng)力隨深度分布如圖

4

所示，從圖中可以看出，兩種強(qiáng)度的噴丸均會在試樣近表面引入殘余壓應(yīng)力。隨噴丸強(qiáng)度的增大，表面殘余應(yīng)力、最大殘余應(yīng)力和殘余壓應(yīng)力分布深度皆增大。圖4

兩種噴丸處理后TC4模擬件的殘余應(yīng)力測試結(jié)果2.2

考慮殘余應(yīng)力的疲勞裂紋擴(kuò)展模型Paris

公式是計(jì)算疲勞裂紋擴(kuò)展速率的經(jīng)典公式，其基本公式為：式中，a

為裂紋長度，mm；N

為循環(huán)次數(shù)；C、n

為試驗(yàn)獲得的與材料相關(guān)的疲勞裂紋擴(kuò)展性能參數(shù)；ΔK

為應(yīng)力強(qiáng)度因子幅值，MPa。在疲勞裂紋擴(kuò)展時(shí)，Elber等認(rèn)為裂紋尖端必須有足夠的裂紋張開力來促進(jìn)裂紋的擴(kuò)展，對應(yīng)存在裂紋張開應(yīng)力因子，只有當(dāng)時(shí)，裂紋才會張開。噴丸會在試樣表面形成殘余壓應(yīng)力，除非外部載荷足夠克服這種殘余應(yīng)力，否則裂紋不會繼續(xù)擴(kuò)展。因此，噴丸殘余壓應(yīng)力誘導(dǎo)的裂紋閉合現(xiàn)象對評估裂紋擴(kuò)展速率和壽命預(yù)測至關(guān)重要。傳統(tǒng)的

Paris

公式并沒有考慮殘余應(yīng)力場誘導(dǎo)的裂紋閉合效應(yīng)對應(yīng)力強(qiáng)度因子幅值的影響。為了有效地預(yù)測裂紋擴(kuò)展行為，選擇有效應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍（）來代替應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍（ΔK）。Elber

首次提出裂紋閉合現(xiàn)象并引入有效應(yīng)力強(qiáng)度因子幅值:其中，和分別表示最大應(yīng)力強(qiáng)度因子和張開應(yīng)力強(qiáng)度因子?？紤]裂紋閉合效應(yīng)，可以得到描述疲勞裂紋閉合效應(yīng)的修正

Paris

公式如下基于

GB/T6398-2017《金屬材料疲勞試驗(yàn)疲勞裂紋擴(kuò)展方法》，取模擬件同胚多余材料加工拉伸裂紋擴(kuò)展式樣，裂紋擴(kuò)展方向?yàn)檩S向和徑向，在應(yīng)力比

R=0.05

條件下對兩個(gè)方向

CT

試樣分別開展裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)，獲得材料的裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)數(shù)據(jù)，使用最小二乘法擬合裂紋擴(kuò)展模型的參數(shù)，最終取結(jié)果的平均值C=1.1e-11、n=3.25，后續(xù)將參數(shù)輸入裂紋擴(kuò)展模型中進(jìn)行疲勞壽命預(yù)測計(jì)算。2.3

裂紋擴(kuò)展數(shù)值仿真本文采用

ANSYS

和

FRANC3D

聯(lián)合仿真進(jìn)行裂紋擴(kuò)展計(jì)算，首先通過有限元軟件

ANSYS

對整體模型進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算并劃分子模型，將劃分好的子模型導(dǎo)入到

FRANC3D

中，引入初始裂紋并對其重新劃分網(wǎng)格，如圖

5

所示；然后利用二維應(yīng)力場法將試驗(yàn)測量得到的殘余應(yīng)力作用于裂紋表面，利用

M-積分計(jì)算殘余應(yīng)力及初始載荷共同作用下的裂尖應(yīng)力強(qiáng)度因子；通過迭代計(jì)算，逐步擴(kuò)展裂紋并記錄每個(gè)擴(kuò)展步的循環(huán)次數(shù)，直到應(yīng)力強(qiáng)度因子達(dá)到斷裂韌度。裂紋擴(kuò)展計(jì)算流程如圖

6

所示。圖5

子模型引入初始裂紋圖6

裂紋擴(kuò)展模擬流程3

結(jié)果與分析工程零件的疲勞壽命一般由兩部分組成：裂紋萌生壽命和裂紋擴(kuò)展壽命。由于疲勞裂紋的萌生與擴(kuò)展沒有明顯的界線，此處根據(jù)電鏡所捕獲裂紋長度信息，定義裂紋萌生的長度為

0.38mm，裂紋長度達(dá)到這個(gè)數(shù)值的循環(huán)次數(shù)即為裂紋萌生壽命N0，從

0.38mm

循環(huán)至

7mm

的次數(shù)為裂紋擴(kuò)展壽命Nf。3.1

疲勞實(shí)驗(yàn)結(jié)果模擬件疲勞裂紋壽命試驗(yàn)結(jié)果如圖

7

所示。從圖中可以觀察到，當(dāng)預(yù)制缺陷尺寸增大，有無噴丸處理的模擬件萌生壽命及擴(kuò)展壽命皆減小。預(yù)制缺陷尺寸半徑為

0.38mm（NotchlengthS）時(shí)，S

噴丸強(qiáng)度下的裂紋萌生壽命相比未噴丸增大了

67%，裂紋擴(kuò)展壽命減小了

66%；L

噴丸強(qiáng)度下裂紋萌生壽命增大了134%，擴(kuò)展壽命減小了

73%。預(yù)制缺陷尺寸半徑為

0.75mm（NotchlengthL）時(shí)，S

噴丸強(qiáng)度下的裂紋萌生壽命相比未噴丸增大了

62%，裂紋擴(kuò)展壽命減小了

62%；L

噴丸強(qiáng)度下裂紋萌生壽命增大了

132%，擴(kuò)展壽命減小了

74%；根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可知，預(yù)制缺陷尺寸增大，模擬件疲勞壽命減??；預(yù)制缺陷尺寸相同，噴丸強(qiáng)度越大，表面裂紋萌生壽命越大，裂紋擴(kuò)展壽命越小。圖7

裂紋疲勞壽命試驗(yàn)結(jié)果預(yù)制缺陷尺寸半徑0.38mm時(shí)，不同噴丸強(qiáng)度下表面裂紋擴(kuò)展速率da/dN與裂紋擴(kuò)展長度的關(guān)系如圖8所示。裂紋擴(kuò)展初期，噴丸與未噴丸的裂紋擴(kuò)展速率接近，隨著裂紋長度的增大，噴丸后的裂紋擴(kuò)展速率大于未噴丸。結(jié)果表明，在預(yù)制缺陷尺寸相同的情況下，噴丸能夠顯著增大裂紋的擴(kuò)展速率，致使裂紋擴(kuò)展壽命減小。圖8

預(yù)制缺陷尺寸半徑0.38mm時(shí)裂紋擴(kuò)展速率圖3.2

斷口分析在疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)結(jié)束后，對模擬件的斷口進(jìn)行清理，使用掃描電子顯微鏡對斷口進(jìn)行拍照，分析噴丸強(qiáng)化在抑制裂紋擴(kuò)展方面的作用機(jī)制。3.2.1

宏觀斷口分析利用電子顯微鏡可對模擬件的裂紋斷口宏觀形貌進(jìn)行觀察。未噴丸模擬件的裂紋斷口宏觀形貌（白線）如圖9a所示，其在裂紋擴(kuò)展階段的裂紋形態(tài)呈近似半圓形；而噴丸模擬件的裂紋斷口宏觀形貌（白線）如圖9b和9c所示，其裂紋在表面處向內(nèi)收縮，呈現(xiàn)近似口袋型的特征。此外，F(xiàn)RANC3D軟件通過自適應(yīng)網(wǎng)格重劃分技術(shù)與迭代計(jì)算算法，能夠有效表征裂紋在不同擴(kuò)展階段的形貌演變過程。圖10為試驗(yàn)觀測到的裂紋形貌（紅線）與仿真分析結(jié)果（黑線）的對比圖，結(jié)果表明，仿真分析所得到的裂紋擴(kuò)展路徑與試驗(yàn)中通過斷口觀測獲得的裂紋前緣跡線特征具有高度一致性。圖9

未噴丸模擬件與噴丸模擬件裂紋宏觀斷口分析圖10

試驗(yàn)與仿真裂紋形貌對比定義表面裂紋長度的一半（記為

a）與深度裂紋長度（記為

c）的比值為裂紋形狀比（CrackShapeRatio,CSR）。以模擬件U-1、SP（S）-1及SP（L）-1為例，在裂紋擴(kuò)展階段分別選取兩個(gè)不同的裂紋形貌，如圖9白線（圖10紅線）所示，將其裂紋形狀比與對應(yīng)的仿真分析結(jié)果（圖10黑線）進(jìn)行相對誤差分析，結(jié)果見表4。分析表明，在未噴丸條件下，裂紋前緣跡線呈近似半圓形，裂紋形狀比大于或等于1，表面裂紋比深度方向裂紋擴(kuò)展快。而噴丸處理后裂紋前緣跡線呈近似“口袋”形且裂紋形狀比小于1，表面裂紋比深度方向裂紋擴(kuò)展慢。此外，仿真分析結(jié)果與試驗(yàn)觀測結(jié)果的CSR相對誤差在10%以內(nèi)，表明所采用的仿真方法模擬疲勞裂紋擴(kuò)展過程具有可行性。表

4

試驗(yàn)與仿真裂紋形狀比相對誤差分析3.2.2

微觀斷口分析根據(jù)文獻(xiàn)及試驗(yàn)測量得到的殘余應(yīng)力分布圖，可知噴丸后引入的殘余壓應(yīng)力基本存在于距表面250范圍內(nèi)，因此對噴丸模擬件斷口進(jìn)行電鏡拍照時(shí)，主要針對近表面進(jìn)行電鏡拍照，分析殘余應(yīng)力對近表面裂紋擴(kuò)展的影響。以未噴丸模擬件為例，分別在裂紋面右側(cè)裂紋擴(kuò)展處拍照，從而獲得裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展階段的斷口形貌，從圖11a、11b中可以看到，表面裂紋擴(kuò)展階段的疲勞輝紋十分明顯且與模擬件表面垂直，裂紋垂直于疲勞輝紋沿水平方向擴(kuò)展。觀察噴丸模擬件擴(kuò)展階段表面裂紋，從圖11c-11f可以看出，裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展階段近表面的疲勞輝紋與模擬件表面呈一定夾角，表面裂紋的擴(kuò)展方向發(fā)生改變，致使最終裂紋形態(tài)呈現(xiàn)“口袋”型。圖11

未噴丸模擬件（a）、（b）與噴丸模擬件（c）-（f）微觀斷口樣貌對比3.3

應(yīng)力強(qiáng)度因子分析通過對模擬件斷口進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)噴丸改變了模擬件表面裂紋的擴(kuò)展方向，造成裂紋形狀從橢圓型變成了近似“口袋”型。為了探究裂紋形狀、殘余壓應(yīng)力及外載荷等多方面因素對裂紋疲勞壽命的影響，結(jié)合數(shù)值仿真分析結(jié)果，對裂紋前緣的應(yīng)力強(qiáng)度因子進(jìn)行分析討論。以未噴丸模擬件U-1及噴丸模擬件SP（S）-1不同擴(kuò)展階段裂紋前緣的應(yīng)力強(qiáng)度因子為例，討論應(yīng)力強(qiáng)度因子隨裂紋前緣的變化以及噴丸強(qiáng)化對其的影響作用，其中初始預(yù)制缺陷、裂紋擴(kuò)展初期及裂紋擴(kuò)展中期的裂紋前緣形狀分別如圖12所示。圖12

未噴丸模擬件（a）與噴丸模擬件（b）裂紋前緣形狀對比未噴丸模擬件

U-1

與噴丸模擬件

SP（S）-1

裂紋前緣應(yīng)力強(qiáng)度因子的對比如圖

13

所示。當(dāng)表面裂紋為初始狀態(tài)，根據(jù)圖

13a，此時(shí)噴丸模擬件的應(yīng)力強(qiáng)度因子隨裂紋前緣呈現(xiàn)出中間高兩端低的趨勢，造成這種變化主要是噴丸處理引入的殘余壓應(yīng)力與外載荷造成的拉應(yīng)力相互疊加的作用，裂紋更易于在深度方向擴(kuò)展，表面擴(kuò)展速率較慢，導(dǎo)致裂紋形狀逐漸擴(kuò)展為“口袋”型。噴丸模擬件的裂紋前緣應(yīng)力強(qiáng)度因子整體小于未噴丸模擬件，表面處裂紋應(yīng)力強(qiáng)度因子更是遠(yuǎn)小于未噴丸模擬件，因此，噴丸會降低初始預(yù)制裂紋表面的擴(kuò)展速率，增大裂紋的萌生壽命。表面裂紋剛進(jìn)入擴(kuò)展階段時(shí)（單邊裂紋擴(kuò)展長度達(dá)到

0.19mm），應(yīng)力強(qiáng)度因子對比如圖

13b

所示，此時(shí)噴丸模擬件裂紋在深度方向擴(kuò)展較長，內(nèi)部應(yīng)力強(qiáng)度因子較大；而近表面在殘余壓應(yīng)力的作用下，力強(qiáng)度因子較小；擴(kuò)展階段裂紋形態(tài)為“口袋”型，裂紋前緣與模擬件表面成銳角狀，根據(jù)文獻(xiàn)中應(yīng)力強(qiáng)度因子與裂紋形狀的關(guān)系，此時(shí)裂紋表面附近的應(yīng)力強(qiáng)度因子較大。于是在裂紋形狀、外載荷及殘余應(yīng)力等多重因素影響下，裂紋前緣應(yīng)力強(qiáng)度因子呈“W”波動狀，在表面高應(yīng)力強(qiáng)度因子的帶動下，表面裂紋擴(kuò)展速率增大，裂紋擴(kuò)展壽命減小。當(dāng)表面裂紋處于擴(kuò)展中期階段（單邊裂紋擴(kuò)展長度達(dá)到

1.50mm），應(yīng)力強(qiáng)度因子對比如圖

13c

所示，此時(shí)噴丸模擬件裂紋前緣形態(tài)較平滑，殘余應(yīng)力影響減小，整體與未噴丸模擬件相比，裂紋前緣的應(yīng)力強(qiáng)度因子更大。因此表面裂紋在擴(kuò)展階段，噴丸模擬件的裂紋擴(kuò)展速率更快，擴(kuò)展壽命更小。根據(jù)未噴丸及噴丸模擬件裂紋前緣應(yīng)力強(qiáng)度因子的對比，可以得出：在裂紋萌生階段，噴丸模擬件表面裂紋應(yīng)力強(qiáng)度因子較小，擴(kuò)展速率較慢，裂紋萌生壽命較長；在擴(kuò)展階段，噴丸模擬件表面裂紋應(yīng)力強(qiáng)度因子較大，擴(kuò)展速率較快，裂紋擴(kuò)展壽命較短。圖13

未噴丸模擬件（U-1）與噴丸模擬件（SP（S）-1）應(yīng)力強(qiáng)度因子對比3.4

仿真預(yù)測壽命圖

14

為模擬件疲勞裂紋的試驗(yàn)擴(kuò)展壽命與模型預(yù)測擴(kuò)展壽命分散帶圖，觀察到預(yù)測壽命皆位于試驗(yàn)擴(kuò)展壽命兩倍分散帶內(nèi)。圖14

預(yù)測擴(kuò)展壽命與試驗(yàn)擴(kuò)展壽命對比整體而言，采用噴丸處理的預(yù)測擴(kuò)展壽命要大于