基于表面纳米技术的含裂纹薄板疲劳寿命分析

李作武，郭经纬

(中国兵器装备集团 自动化研究所装药中心， 四川 绵阳 621000)

【化学工程与材料科学】

基于表面纳米技术的含裂纹薄板疲劳寿命分析

李作武，郭经纬

(中国兵器装备集团 自动化研究所装药中心， 四川 绵阳 621000)

通过材料表面纳米技术处理含裂纹316L不锈钢薄板，薄板在一端固支，另一端受循环载荷情况下，疲劳寿命得以提高。裂纹尖端附近区域大小改变时的表面纳米处理的效果不同，为类似结构的疲劳寿命的提高提供了一种新思路。

表面纳米技术；平面薄板；疲劳寿命

平面薄板结构在生产加工中，由于环境因素、人为因素和技术因素等影响，常有微裂纹的出现。当薄板受到与裂纹垂直方向的拉升载荷，容易导致裂纹扩展。若薄板受到的力很小，在循环载荷下，疲劳寿命会大大降低[1-2]。作者提出了一种可以延长含裂纹薄板结构疲劳寿命的方法。加筋处理就是在裂纹局部附加结构，增强零件的抗拉和抗弯强度，而表面纳米处理后，材料的力学性能得到改善，跟加筋处理效果一样。

1 基本问题

HUANG等[3-4]2005年提出了一种表面纳米技术，通过对材料表面机械摩擦处理，改变材料表层的晶体结构，使材料的弹性模量、屈服极限、强化极限等力学性能有了很大提升。

在本研究中，薄板材料选用316L不锈钢，它的力学性能参数及表面纳米处理后的力学性能参数如表1[5]所示。由于表面纳米处理只能渗透材料表面0.1 mm，材料的最终力学性能表现为二者的综合情况。从表1可以看出，表面纳米处理后，弹性模量、屈服极限和强化极限都得到提升。316L不锈钢的在表面纳米处理前后的S-N数据参照表如表2[6]。虽然纳米表面处理后与原材料相比，在受相同循环载荷时，材料的疲劳寿命有一些降低，但综合表1数据来看，由于纳米表面处理后材料的各项力学性能都有了提升，实际上材料受力在屈服极限内疲劳寿命有了很大提升。

表1 材料力学性能

表2 316L不锈钢S-N数据参照表

平面薄板的厚度为1 mm，尺寸参数如图1所示。薄板为对称结构，单位为mm。一端固支，另一端受均匀拉伸循环载荷，单位为MPa。裂纹位于薄板左侧边缘的正中间位置，裂纹方向与薄板上下两端平行。

图1 含裂纹薄板参数

当薄板受拉后，由于裂纹的存在，导致应力集中，具体表现在裂纹尖端附近的应力比其他区域的应力大很多。当最大应力超出强化极限后，裂纹发生扩展。即使薄板所受拉力很小，由于应力集中产生的最大应力也会很大。当薄板受到的拉力为对称循环载荷时，疲劳寿命就会比无裂纹薄板低很多。本文主要研究最大应力低于强化极限情况时薄板的疲劳寿命。

2 疲劳寿命的计算

通过仿真软件ANSYS和se-safe计算得到：当薄板受到的循环载荷P=50 MPa时，它的疲劳寿命曲线的具体分布如图2，该曲线是薄板裂纹尖端局部放大曲线，疲劳曲线呈指数分布。疲劳寿命为10的n次方。数字越小区域，疲劳寿命越短。薄板的最小疲劳寿命出现在裂纹尖端区域，疲劳寿命为8 537次。

薄板在全部区域都进行表面纳米处理后，得到的疲劳寿命分布曲线如图3，同样也是裂纹尖端局部放大，最小疲劳寿命为 14 710次。可以看出，材料的疲劳寿命有了明显提高。且与图2对比，材料的整体疲劳寿命分布情况有了非常明显的改善，从最初的扇形分布变成了圆环状分布。

图2 50 MPa时原始材料的疲劳寿命分布曲线

图3 50 MPa时全区域表面纳米处理疲劳寿命分布曲线

虽然对材料的全部区域进行纳米处理能有效提升材料的疲劳寿命，但这样会消耗很多人力、物力。由于材料的应力集中只出现在裂纹尖端区域，因此考虑只在裂纹尖端区域进行表面纳米技术处理。为了方便研究处理区域大小对材料疲劳寿命的影响，对薄板进行区域划分，分成了4个圆环，分别称为一环，二环，三环和四环，如图4所示(为了方便标注圆环，裂纹长度未参照比例显示)。其中一环的半径为2 mm，二环的半径为4 mm，三环的半径为6 mm，四环的半径为8 mm。

图4 薄板圆环区域划分

1) 对一到四环区域都表面纳米处理，其余区域不处理。材料的最小疲劳寿命为 6 658 次，比原材料还低很多。分析原因为表面纳米处理后， 材料刚性更大，裂纹尖端区域应力集中更严重，因此对裂纹尖端区域表面不需要纳米处理。

2) 对二、三、四环区域表面纳米处理，其余区域都不处理，材料的最小疲劳寿命为 20 943 次。与材料和全区域表面纳米处理对比，疲劳寿命有了非常大的提升。

3) 仅对二环区域表面纳米处理，其余区域都不处理。材料的最小疲劳寿命为20 943次，与上一种情况一样，

4) 对二环和四环区域表面纳米处理，其余区域都不处理，材料的最小疲劳寿命为37 196次，最小疲劳寿命有了更进一步的提升。说明在这几种方法中，这种方法效果最好。

当薄板受到的循环载荷为100 MPa时，原材料的最小疲劳寿命仅有1 518次。在对二环和四环区域表面纳米处理，其余区域都不处理，材料的最小疲劳寿命为4 870次，最小疲劳寿命同样有巨大提升。

3 结论

含裂纹薄板受到拉力时，在裂纹尖端区域产生应力集中。当载荷变为循环载荷时，薄板的最小疲劳寿命也在裂纹尖端区域。表面纳米技术能有效提高薄板的最小疲劳寿命，通过表面纳米处理对材料的疲劳寿命有不同程度的提高。

[1] 傅祥炯.结构疲劳与断裂[M].西安:西北工业大学出版社,1995.

[2] 张安哥,朱成九,陈梦成.疲劳、断裂与损伤[D].成都:西南交通大学出版社,2006.

[3] CHEN X,LU J,LU L,et al.Tensile properties of a nanocrystalline 316L austenitic stainless steel[J].Scripta Materialia,2005,52:1039-1044.

[4] HUANG H,WANG Z,LU J,et al.Fatigue behaviors of AISI 316L stainless steel with a gradient nanostructured surface layer[J].Acta Materialia,2015,87:150-160.

[5] 辛素敏.316L不锈钢表面纳米化后疲劳机理分析[D].贵阳:贵州大学,2009.

[6] 韩同伟.316L 不锈钢表面纳米化后的低周疲劳性能研究[D].贵阳:贵州大学,2006.

(责任编辑杨继森)

ANewMethodforImprovingtheFatigueLifeofThinPlatewithCrack

LI Zuowu, GUO Jingwei

(Center of Ammunition Charging, Automation Research Institute of China South Industries Group Corporation, Mianyang 621000, China)

The treatment is taken on the thin plate with crack by the surface self-nanocrystallization.316L stainless steel is being used as the basic material, which can improve its fatigue life in the case of one side that being fixed and the other side under the symmetrical cyclic load. The different shape under the surface self-nanocrystallization near the area of crack tip achieving different effects.And it provid a new idea for improving the fatigue life of the similar structure.

technology of surface self-nanocrystallization；plane plate；fatigue life

2017-04-23；

：2017-05-21

：国防科工局技术基础科研项目( JSCG2015209B001)

李作武(1977—)，男，高级工程师，主要从事弹药装药及装备自动化研究。

10.11809/scbgxb2017.09.034

format:LI Zuowu, GUO Jingwei.A New Method for Improving the Fatigue Life of Thin Plate with Crack[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(9):161-163.

TQ423

：A

2096-2304(2017)09-0161-03

本文引用格式：李作武，郭经纬.基于表面纳米技术的含裂纹薄板疲劳寿命分析[J].兵器装备工程学报，2017(9):161-163.