残余应力对汽车零件疲劳寿命的影响研究

摘 要：众所周知，由于负荷交变压力，汽车零件常常因为过度疲劳而发生损坏，这个过程主要分为三个阶段，即受理表面开始出现疲劳裂痕、裂缝的扩大以及最终的瞬间性断裂。因此，为了有效提升零件的疲劳强度，本文基于残余应力的概述，分析和研究了应用残余应力提升疲劳强度的实例，以期为相关人员提供借鉴。

关键词：残余应力；汽车零件；疲劳寿命

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.24.027

0 前言

通常情况下，通过提升零件表面金属的强度以及改善零件的表层状态，如提升光滑度或者减小表层缺陷等，都可高效提升汽车零件的疲劳强度。而通过应用零件表层的残余应力，可有效减少在汽车运行过程中零件所负荷的拉伸应力，进而达到提高疲劳强度的效果。因此，本课题对于殘余应力的研究具有现实意义。

1 残余应力的概述

1.1 作用

零件内部的应力往往是受外力的影响而产生的，若缺乏外力影响，此时的零件内部也会存在着一定的应力，而这就是所谓的残余应力[1]。举例来说就是，假设有2根刚性梁，两者之间使用4根弹簧进行连接，两端的弹簧为压簧，而中间的2根则为拉簧。在这一受力系统之中，弹性力始终处于平衡状态，也就是说压力的总和与拉力的总和相等。此外，经过某些工艺，如滚压工艺或者喷丸工艺等处理之后，圆杆内部也会产生相类似的残余应力。该种残留在零件内部并相互制衡的应力，在与外力所产生的应力进行叠加后，就会使得外力相应地增大或减少。而对于负荷着交变压力的汽车零件而言，通过实现残余应力与交变应力的叠加，可使平均应力产生相应的增大或减小。基于断裂力学的基本理论知识，要想获取较高的疲劳强度，首先要做的就是延后疲劳裂痕的产生，其后阻碍其扩展和深入。根据相关研究可知，汽车零件疲劳裂痕的拓展抗力与残余应力之间存在着指向关系，随着残余应力的增加，虽然疲劳裂痕所产生的抵抗力并未较大地增长，但是疲劳裂痕的抗拓展力却大幅提升，从而极大地提升了汽车零件的疲劳强度。

1.2 产生原因

1.2.1 塑性变形

零件的塑性变形极有可能产生残余应力。当某一零件表面压有一个钢球时，球体下端的材料就会产生塑性流动，进而会沿着球体的四围被挤出。在球体移动之后，塑性变形区域之下的材料则会产生往上反弹的趋势，但由于已出现塑性变形情况的材料无法恢复到原先状态，因而此处便生成了压应力，而上面则生成了拉应力。此外，对零件进行切削处理同样会差生残余应力，尤其是当零件出现磨损时，即便是研磨或者抛光等处理也会使得零件的表层内形成40-60kg/mm?的残余应力。

1.2.2 渗碳与渗氮

借助渗碳或者渗氮等手段同样可生成残余应力。相较于表面淬火，渗碳处理具有更为显著的优越性，其所产生的残余应力也远远超过表面淬火，这是因为：第一，在进行渗碳处理时，要对零件的整体进行加热，而在表面淬火时，则要对表面进行冷却处理，借助温差而产生残余应力，第二，表面马氏体结构的变化进而产生残余应力，第三，表面淬硬的加强作用。而渗氮处理则能产生更大的残余应力。在进行渗氮处理时，氮会与铁以及相关的合金元素生成硬度较大的氮化物，使得表面体积出现膨胀进而产生残余应力，虽然所产生的氮化物层较薄，但是所生成的残余应力却十分之大。

除此之外，弯曲或扭曲杆件、对零件进行不均匀的加温或冷却等处理同样可以使零件产生残余应力，进而有效提升汽车零件的疲劳强度。

2 应用残余应力提升汽车零件疲劳强度的实例

2.1 弹簧

借助喷丸处理，不但可有效去除弹簧表层的氧化层，而且能让弹簧表面发生塑性变形，进而产生一定程度上的冷作硬化效果，而这也被称作是喷丸强化。根据相关实验可知，要想提升弹簧的疲劳强度，主要依靠的不是喷丸的强化效果，而是弹簧表面的残余应力。对于弹簧或者板簧而言，当其簧片的上表层收到拉伸应力作用时，对其进行喷丸强化处理，如此一拉便可有效提升弹簧表面的残余应力。以厚度为6.3㎜的弹簧钢板为例，对三块同样规格的弹簧钢板分别采用不同的工艺处理方式，即不喷丸处理、一般性喷丸处理以及应力喷丸处理，根据结果显示，经处理后的弹簧钢板的疲劳极限依次为47.5kg/mm?、72.5kg/mm和102.0kg/mm。由此可见，通过应用残余应力，可有效提升弹簧钢板的疲劳强度。

2.2 曲轴

由于曲轴的形状具有一定的特殊性，因而其应力的分布也呈现出不均匀的状态。以某一经过精细打磨后的滚压圆角为例，其中，滚压力为300kg，因滚压形成的塑变层厚度为1.8mm，最终曲轴整体的疲劳性能较之之前提升了38%。

2.3 齿轮

在汽车的正常运行过程中，由于受到外部荷载的影响，齿轮同样会产生相应的应力。当渗碳层较为薄弱时，此时的齿芯部分大面积的断面尚未完成渗碳，因而齿轮芯部的残余应力相对较小，但也足够应对平衡表面相对较高的残余应力，而当渗碳层较为厚重时，此时的齿轮芯部的面积就会有所减少，但与此同时，齿轮外部表面的残余应力也会相应降低。基于残余应力的相关理论知识可知，渗碳层的厚度不应过大，齿轮芯部位置的强度也不应过大，这样一来，齿轮才能具备较高的疲劳强度。此外，由于齿轮表面具有一定程度上的麻点危险，因此，沿着齿轮表面的渗碳层应相对较厚，尤其是齿轮的基圆面。

3 结论

总而言之，基于残余应力的作用方式和产生原因，通过探究残余应力的具体应用实例可知，通过应用残余应力，可有效提升部件的疲劳强度，进而大大延长部件的使用寿命。因此，汽车行业相关技术人员必须提高对残余应力的重视程度，通过采用有效有效手段，发挥残余应力作用，从而提升汽车零件的疲劳性能。

参考文献：

[1]何少杰，杨文玉，郭步鹏.机加工表面残余应力及其疲劳寿命评价的研究进展[J].表面技术，2015，44（06）：120-126+132.

作者简介：雷科（1986-），男，工学学士，工程师，研究方向：机械人工智能、汽车典型零部件疲劳与优化、高校学生资助管理。