摘要

将自制螺母喷丸前后的疲劳实验结果进行了对比，同时对比了喷丸后的自制螺母与同规格沈制螺母的疲劳实验结果。结果表明，喷丸强化可以提高螺母的疲劳寿命，喷丸强化后的自制螺母水平阶段的应力升降范围比未喷丸自制螺母明显上升，较大的静载荷比下，自制螺母断裂时的疲劳循环周次较低，喷丸强化后自制螺母的FLPF为24.38%，FSIP为26.26%，相同的喷丸条件下，自制螺母强化后的抗疲劳特性较同规格沈制螺母有显著提升，最大应力为160 MPa时，自制件的循环周次较沈制件提高了87.8%。

关键词： 螺母 ; 喷丸强化 ; 疲劳实验 ; 疲劳寿命 ; 残余应力 ; S-N曲线

螺母是现代工程结构及机械设备中非常重要的连接件[1]。在实际工作中，螺母在不同工况下受不同类型的载荷作用，导致螺母表面残余应力产生较大波动，经常出现批量性裂纹问题[2]。据相关统计，在机械构件和零件的断裂事故中有80%归属于疲劳破坏[3]，为此提高螺母的疲劳强度和使用寿命是个重要的研究课题。

早期螺纹联接结构的研究内容大多是通过有限元法对其应力应变进行分析[4]。随着工作进程的深入，研究人员开展了结构几何参数对构件力学性能影响规律的探究。在实际载荷条件下对构件疲劳和断裂行为的评估非常复杂，Korin等[5]提出了一种克服这些困难的实验方法，可以分析拉伸循环载荷状态下的螺纹组件疲劳行为。随后研究者们对使用喷丸方法改善机械构件的疲劳行为进行了诸多探索，秦海迪等[6]对25CrNi2MoV钢进行表面喷丸处理，结果表现为经喷丸处理后的试样表面粗糙度、硬度与残余压应力均增大，表明喷丸处理能细化试样表层晶粒组织，抑制表面裂纹的萌生与扩展，显著提高滚动接触疲劳性能。随着科技进步，不断有新的喷丸方法被用于改善机械构件的疲劳行为研究中。Wang等[7]对7075铝合金进行了强激光冲击喷丸，强激光冲击喷丸引起的高致密位错结构和高压缩残余应力显著改善了7075铝合金的高温疲劳性能，在150 ℃下其疲劳寿命增加了110%。Soyama等[8]对具有倒角或倒圆边缘孔的样品进行空化喷丸处理，使空化气泡塌陷的方式注入空化射流，最大拉伸应力为150 MPa时，样品的疲劳寿命延长了十倍以上。Sing等[9]分析了超声波喷丸强化处理对提高结构合金在低应力/应变下的疲劳寿命的作用，发现高周疲劳寿命的显著改善主要归因于表面晶粒的细化和裂纹萌生过程的延迟，同时他们发现过多的超声波喷丸处理会导致表面开裂并损害疲劳寿命。罗学昆等[10]研究了4种不同的表面加工方法对FGH95合金高周疲劳性能的影响规律，结果表明，有喷丸工艺的3种方法均可显著提高试样的高温疲劳寿命，其中，复合喷丸方法高温疲劳寿命增益效果最显著，在650 ℃、550 MPa下的疲劳寿命是未喷丸试样的疲劳寿命的26.3倍以上。研究者们对喷丸改善机械构件的疲劳行为原理也进行了探索，高玉芳等[11]认为在喷丸过程中，表层金属在高速弹丸的作用下发生较强的塑性变形，伴随这个过程，晶体发生滑移，导致亚晶粒内位错密度的增加，晶格畸变，微观应力增高，从而提高了试样的屈服强度进而导致其疲劳性能的增高。

喷丸强化能将螺母表面残余拉应力改变为压应力，提高螺母的抗疲劳特性。本文通过未强化与喷丸强化后的自制螺母疲劳试验对比，验证了喷丸强化可以提高螺母的疲劳寿命，并将喷丸后的自制螺母与同规格沈制螺母进行疲劳试验对比，进一步验证了喷丸对螺母的抗疲劳特性的增强作用。

1 实验方法

试验用螺母为自行研制的螺母，采用1Cr11Ni2W2MoV材料，其成分 (质量分数，%) 为：Ni 1.78，W 1.85，Cr 11.6，C 0.13，Si 0.22，Mn 0.51，Mo 0.47，V 0.23，Fe余量[12]。密度7.9 g/cm3，Young's模量为2.1×105 MPa，Poisson's比为0.3，初始屈服强度为281.2 MPa，硬化模量为1086.68 MPa[13]。

根据GB/T 13682-92和GB 3075，对喷丸强化螺母和未强化螺母分别进行轴向载荷疲劳测试，疲劳寿命曲线 (S-N曲线) 倾斜采用静载荷比梯度法进行测量，水平阶段采用升降法进行测量。疲劳测试设备为QBG-1005型高频疲劳试验机，在测试过程中保证螺母夹持固定不动，且两组测试都采用相同的频率，以降低其他因素的影响，减小实验误差。

疲劳实验方案根据GB/T 13682-92与GB 3075设计，应力比R取0.1，即给螺母施加不对称循环应力，实验频率为128 Hz。选取10%、20%、30%、40%的Fb (静载破坏载荷) 的4个应力水平Fb1、Fb2、Fb3和Fb4进行测试，用于确定S-N曲线的倾斜部分。根据GB/T 13682-92和GB 3075，螺母按照4级应力水平测试，每级2个试件，共8个试件。选取5%的Fb，即Fb0.5，用于确定S-N曲线的水平部分，根据标准，螺母按照6个测试点测试，每点1个试件，共6个试件。实验中需设置一个试件用来校准载荷，则要得到一种螺母的S-N曲线，需使用15个试件进行疲劳测试。

2 结果分析

2.1 数据结果分析

随机抽取15件未强化自制螺母与15件喷丸强化自制螺母，分别进行轴向疲劳试验测试，每一组里各有一件螺母用于载荷校准，得到的结果如图1所示，当循环次数达到107次时，默认螺母在该应力条件下不破坏，故循环次数达到107次的数据不在图中过多显示。由图可以看出，当采用较大的静载荷比时，螺母断裂时的疲劳循环周次较低，随着静载荷比的减小，其疲劳循环周次逐渐增大到107次，螺母在较小载荷的工作环境下疲劳寿命较长。喷丸强化前后螺母的S-N曲线的水平阶段的应力升降范围对比如图2所示，未经喷丸强化的螺母水平阶段最大应力值在94~99 MPa之间，喷丸强化后的螺母水平阶段的应力升降范围则明显上升，最大应力值在120~125 MPa之间，这说明喷丸强化后，弹丸的撞击在螺母表面产生了塑性变形，螺母表面残余应力增大，导致螺母强度增大，使螺母承载能力有所上升。

图1   螺母喷丸强化前后疲劳实验测试结果

图2   喷丸强化前后螺母S-N水平阶段应力升降对比图

2.2 自制件疲劳实验分析

未喷丸强化与喷丸强化后的自制螺母疲劳试验断裂结果如图3所示，可以看出螺母的断裂位置相似，都靠近螺母的圆弧部位。通过图2螺母S-N水平阶段应力升降对比图已知，喷丸强化后螺母的S-N曲线水平段明显增大。

图3   螺母疲劳实验断裂结果

目前工程应用中常用幂指数模型来描述材料应力疲劳，由Basquin公式[14]表示，即

其中，σa为应力幅值，σ‘f为真实断裂应力，Nf为疲劳寿命，b为疲劳强度指数。数据拟合得到未喷丸自制螺母的Basquin公式为

喷丸后自制螺母的Basquin公式为

得到自制螺母喷丸前后的S-N疲劳曲线如图4所示。

图4   螺母喷丸前后S-N曲线图

表面强化对疲劳强度的影响可用强度增加幅度来表征，称为疲劳强度增比 (FSIP)[15]。而疲劳寿命增益系数 (FLPF) 为强化试样平均寿命的提高幅度与初始试样平均寿命之比[15]。图5为喷丸强化前后螺母的S-N曲线对比图。由图可以得到，喷丸强化后的螺母在相同疲劳载荷应力幅值下，应力周期明显高于未强化的螺母，其抗疲劳性能有显著提高。喷丸强化后自制螺母的FLPF为24.38%，FSIP为26.26%。

图5   螺母喷丸前后S-N曲线对比图

2.3 不同类型的螺母疲劳实验对比

将自制螺母和同规格的沈制螺母进行疲劳实验对比，均采用室温轴向疲劳实验方法，应力比R同样取值为0.1，实验频率为128 Hz。实验结果如图6所示，可以看出自制件喷丸强化螺母疲劳断裂位置发生在靠近圆弧处；而沈制件螺母的断裂发生在圆弧处，裂纹一直蔓延到螺母大端，螺母圆弧处与大端均有破裂现象。不同类型螺母的相同应力幅值下循环周次柱状图如图7所示，由图可以得到自制螺母喷丸强化后的抗疲劳特性较沈制螺母有显著提升，最大应力为160 MPa时，自制件的循环周次较沈制件提高了87.8%。

图6   不同类型的螺母疲劳试验结果对比

图7   不同类型的螺母疲劳特性对比

3 结论

(1) 喷丸后自制螺母的疲劳特性明显增强。喷丸强化后的螺母水平阶段的应力升降范围比未喷丸螺母上升了许多，喷丸强化后，螺母表面存在残余应力，导致强度增大。

(2) 较大的静载荷比下，自制螺母断裂时的疲劳循环周次较低，随着静载荷比的减小，其疲劳循环周次逐渐增大到107次。

(3) 喷丸强化后的自制螺母在相同疲劳载荷应力幅值下，应力周期高于未强化的自制螺母，其抗疲劳性能显著提高。喷丸强化后自制螺母的FLPF为24.38%，FSIP为26.26%。

(4) 喷丸强化后的自制螺母和喷丸强化后同规格的沈制螺母进行对比，自制螺母喷丸强化后的抗疲劳特性较沈制螺母有显著提升，最大应力为160 MPa时，自制件的循环周次较沈制件提高了87.8%。

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