高速切削强化表面次表层疲劳特性的试验表征及计算建模研究

高速切削加工表面的疲劳特性是国际研究热点。裂纹在次表层不均匀组织与残余应力场中的扩展规律是进行高速切削加工表面疲劳分析的重要理论基础，建立多轴应力裂纹扩展行为的分析模型是目前加工表面疲劳寿命预报的前沿课题。工艺试验要求高可靠度，理论计算要求高精度。本工作拟在对高速切削强化处理后高强度钢的多轴应力疲劳特性进行试验表征，建立能够描述微结构、塑性变形、残余应力场等综合作用的裂纹扩展分析模型，定量研究高速切削工艺条件对应力疲劳裂纹扩展寿命的影响规律。采用双参数Paris模型与Navarro-Rios模型分别描述疲劳长、短裂纹的扩展行为，采用Tarentola方法处理中间变量的随机性，结合Tikhonov正则化及参数修正技术改进病态传递函数求解精度，从而为探究高速加工表面的服役可靠性和抗疲劳主动设计提供数据支持与计算依据。本项目立足于工程实际问题的定量计算分析，侧重于物理图像的探讨和理论方法的改进。

本项目研究揭示了高强度钢马氏体组织在切削力－热耦合塑形变形过程中显微组织演变规律及其对加工后试样表面层力学性能影响规律，建立了能够准确反映切削条件热／力效应的残余应力场数值分析模型，设计了一类面向铣削表面疲劳特性测试的旋转弯曲试样结构，推导了盲孔非对称短裂纹构型的权函数计算表达式，构建了疲劳短裂纹在切削强化变质层中两阶段（物理／力学短裂纹）扩展模型，分析了切削变形表面完整性指标对疲劳裂纹扩展及阻滞行为的作用机制，为基于切削强化效应的表面强化工艺设计和过程控制提供了科学依据。本项目研究成果对揭示切削强化过程中微结构组织特性与力学性能演化机制，定量表征与评价高效／精密切削表面疲劳性能，促进高强度材料承载主传力结构高效强化工艺技术的发展等方面具有重要意义和应用前景。