喷丸残余应力影响下微动疲劳损伤行为及寿命预测方法研究

Shot peening causes residual stress, strain hardening and roughness on the treated surface. The improvement of fretting fatigue resistance for shot peened material is mainly attributed to the residual stress. However, the current fretting fatigue design criteria have not taken the effect of residual stress into account. The obstacles to include the effect of residual stress in fretting fatigue design are: complex interpolating stress distribution and stress gradient caused by non-consistency between residual stress and working stress, and residual stress relaxation caused by fatigue loading. The proposer intends to study the mechanics behavior characterization of shot peened materials, the residual stress relaxation under fretting fatigue loading, the fretting fatigue crack initiation and propagation under complex interpolating stress gradient and stress relaxation. The research on this project can theoretically improve the crack initiation prediction model and crack propagation simulating method for fretting fatigue under the effects of residual stress relaxation and complex interpolating stress gradient. Based on the proposed model and simulating method, the effect of residual stress on the fretting fatigue can be quantified, and the precision of fatigue life prediction can be improved.

喷丸强化处理在被加工表面引入残余压应力、应变硬化和表面粗糙度的变化，残余压应力是提高材料抗微动疲劳性能的主因，但当前的微动疲劳设计并未考虑残余应力对微动疲劳寿命的影响。考虑残余应力对微动疲劳寿命的影响其难点在于：一方面残余应力与工作应力在分布形式上的非一致性使得接触区域形成复杂的叠加应力分布和应力梯度，另一方面残余应力在交变疲劳载荷作用下会发生残余应力释放，这都增加了微动疲劳寿命预测的难度。申请者拟重点研究喷丸材料力学性能表征、微动疲劳载荷作用下的残余应力释放、复杂叠加应力梯度下微动疲劳裂纹萌生和微动疲劳复合型短裂纹扩展特性。在理论上进一步完善引入变化残余应力及复杂叠加应力梯度影响的微动疲劳裂纹萌生寿命预测模型和微动疲劳裂纹扩展分析方法，量化残余应力对微动疲劳裂纹萌生和扩展的作用，提高微动疲劳全寿命预测精度，以期为实现喷丸材料微动疲劳寿命高精度预测设计提供支撑。

喷丸强化处理在被加工表面引入的残余压应力是提高材料抗微动疲劳性能的主因，考虑残余应力对微动疲劳寿命的影响其难点在于：一方面残余应力与工作应力在分布形式上的非一致性使得接触区域形成复杂的叠加应力分布和应力梯度，另一方面残余应力在交变疲劳载荷作用下会发生残余应力释放。本项目研究获得了喷丸强度对材料表面层力学性能分布规律。喷丸处理能够提高材料表面层的拉伸屈服强度，且喷丸强度越高，材料表面层的拉伸屈服强度越大。研究获得了喷丸件表面残余应力在微动载荷作用下的重分布机理及规律。表面残余应力的重分布主要受到微动磨损和塑性变形的综合影响。接触中心区域的残余应力随着循环数的增加呈上升趋势，而接触边缘则由于应力自平衡行为呈轻微释放现象。塑性变形对表面残余应力重分布的影响更为复杂，在一个加载循环过程中Mises应力在靠近加载端的接触区域右边缘附近达到最大值，残余应力释放程度最大的位置也出现在接触右边缘附近。建立了微动疲劳裂纹萌生寿命预测的分析模型。研究表明喷丸处理对裂纹萌生寿命的提高效果在小载荷条件下较为明显，且喷丸强度越高寿命提高程度越大。但在大载荷条件下低强度喷丸处理对疲劳寿命的提高效果更为明显。确定了磨损对裂纹尖端应力状态的影响机制及规律。研究表明残余应力对微动疲劳短裂纹扩展速率的阻滞效果会随着疲劳载荷幅值的增加而减弱。在大载荷条件下，低强度喷丸处理引入的残余应力对短裂纹扩展的阻滞效果要更好。但在远离接触表面的深度位置，高强度喷丸件裂纹附近的剩余残余应力要远大于低强度喷丸件，所以两种喷丸处理引入的残余应力对短裂纹扩展阻滞效果的差别会随着裂纹长度的增加而减小。本研究在理论上进一步完善喷丸残余应力影响的微动疲劳裂纹萌生寿命预测模型和微动疲劳裂纹扩展分析方法，提高微动疲劳寿命预测精度，实现喷丸强化材料微动疲劳高精度预测设计。目前，已发表由本基金项目资助并进行标注的SCI检索期刊论文6篇。