螺纹滚压强化疲劳断口的分析

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1997.04.03M 第19卷第4期 北京科技大学学报 Vol.19 No.4 1997年8月 Journal of University of Science and Technology Beijing Aug.1997 螺纹滚压强化疲劳断口的分析 张秀林) 金铮) 1)北京科技大学应用科学学院，北京，1000832)北京科技大学材料科学与工程学院 摘要利用(SEM)观察了30 CrMnSiNi,A钢经螺纹滚压的疲劳断口与未经螺纹滚压的疲劳断口， 研究和分析螺纹滚压强化对30 CrMnSiNi,A钢制造的零件螺纹部位疲劳寿命的影响.结果表明， 该钢滚压后的疲劳极限提高了58.6%，疲劳源减少，疲劳扩展区明显增大，疲劳条带间距变窄.初 步探讨了滚压强化的机理， 关键词螺纹滚压强化，疲劳断口，30 CrMnSiNi,A钢 中图分类号TB302.3 螺纹滚压强化是利用钢的弹塑性变形性质，使用一个与螺纹根部圆角的形状与几何尺寸 完全相同的滚轮，在零件旋转时，对螺纹根部圆角处施加一定的压力，使该处金属表面产生一 个弹塑性变形层而达到强化螺纹的1种方法口.滚压后的变形层内由于形变造成很高的宏观 残余压应力，在变形层内位错密度升高和位错组态的改变，以及滚压后螺纹根部圆角表面粗 糙度的降低，致使零件承受交变载荷时，疲劳强度大幅度提高，断口的形貌发生变化，从而延 长了工件的使用寿命2~4. 1试验方法 试验钢的化学成分为（质量分数/%）：C-0.3,Mn-1.17,Si-1.11,P-0113,S-0.007,Cr -1.10,Ni-1.66,Fe平衡. 试验钢主要力学性能为：0=1659MPa,o,=1306MPa,d-11.6%,Ψ=47.4%.试样加工 前，材料先经过预备热处理(620±10)℃，50min,随炉升温到900℃保温1h再在硝酸盐槽内 230℃等温处理1h,空冷.最后将其加工成带螺纹疲芳试样， 螺纹滚压强化是在北京航空材料研究所自制的滚压机上进行的，滚压工艺参数是利用对 比疲劳优选法求出.滚压与未滚压对比疲劳试验是在MTS疲劳试验机上进行的.试验条件为 f=10Hz,R=0.1,试验温度为室温.疲劳试验后利用S-360扫描电镜观察了断口. 2试验结果与分析 (I)图1给出了30 CrMnSiNi,A钢螺纹滚压与未滚压疲劳S-lgN曲线.由图可以看出：从 高应力到低应力螺纹滚压强化的疲劳寿命比未滚压的疲劳寿命均得到大幅度提高，疲劳强度 1997-01-08收稿 第一作者女57岁副教授

第19 卷 第 期 4 1 9 9 7 年 月 8 北 京 科 技 大 学 学 报 J o u a r n l o U f n i e v r s i y t o S f c i e n e e a e e o n d T h n l o g y B e i j i n g o V l . 1 9 o N . 4 A u g . 1 9 9 7 螺 纹滚 压强化疲 劳断 口 的分 析 张秀林 ’ ) l ) 北 京科技大学应 用 科学学 院 , 北京 , 10 0 0 8 3 金 铮 2 ) 2 )北 京科技大学 材料科 学与 工程学 院 摘要 利 用 ( S E M ) 观 察了 30 C r M nS , iN 、 A 钢经螺纹 滚压的 疲劳 断 口 与 未经螺纹滚压 的 疲劳断 口 , 研究和 分 析螺纹 滚压强 化 对 3 0 c r M ns iN i , A 钢 制造的零件螺 纹部位 疲劳寿命 的影响 . 结果 表 明 , 该钢滚压 后 的疲劳极限提高 了 58 . 6 % , 疲劳源 减少 , 疲劳扩展 区 明显增 大 , 疲劳条带 间距 变窄 . 初 步探 讨了滚压强 化 的机理 . 关键词 螺纹滚压强 化 , 疲劳断 口 , 30 rC M ns iN i ZA 钢 中图分类号 T B 3 0 2 . 3 螺 纹 滚压 强化是 利 用钢 的弹 塑性 变形 性质 , 使用一个 与 螺纹根 部 圆角的形 状与 几何尺 寸 完 全相 同的滚 轮 , 在 零件 旋 转时 , 对螺 纹根 部 圆角处 施加 一定 的压 力 , 使 该处金 属表 面产 生一 个 弹 塑性 变形 层而 达到 强化 螺纹 的 1 种方 法 川 . 滚 压后 的变 形层 内 由于 形变造 成很 高 的宏 观 残余压应 力 , 在 变形 层 内位 错 密度 升 高 和位 错组 态 的改 变 , 以 及 滚压 后螺 纹根 部 圆角 表 面粗 糙度 的 降低 , 致 使 零件 承 受 交变 载荷 时 , 疲 劳强 度大 幅 度提 高 , 断 口 的形 貌发 生变 化 , 从而延 长 了工件 的使 用 寿命2[ 一 4 ] . 1 试验方法 试 验钢 的 化学 成分 为 ( 质量分 数 / % ) : C 一 0 . 3 , M n 一 1 . 17 , 5 1 一 1 . 1 1 , p 一 o · 1 13 , S 一 0 · 0 0 7 , C r 一 1 . 10 , M 一 1 . 6 6 , eF 平 衡 . 试 验钢 主要 力 学性 能 为: 氏一 1 6 59 M p a , 氏一 1 3 06 M p a , 占一 1 . 6 % , 乎一 47 .4 % . 试样 加工 前 , 材 料先 经 过 预备热处理 ( 6 20 士 10) ℃ , 50 m in , 随炉 升温 到 9 0 ℃ 保 温 l h再在硝 酸盐 槽 内 23 0 ℃ 等 温处 理 ! h , 空冷 . 最后 将其 加工 成带 螺纹疲 劳试样 . 螺 纹 滚压 强化 是在 北京 航空 材料 研究 所 自制 的滚压 机上 进行 的 , 滚 压工 艺参数是 利用 对 比疲 劳优 选法 求 出 . 滚压 与 未滚压 对 比疲 劳试验 是 在 M T S 疲 劳 试验机 上进 行的 . 试 验条件 为 厂= 10 比 , R = 0 . 1 , 试验 温度 为室 温 . 疲 劳试 验后 利用 S 一 3 60 扫 描 电镜 观 察了 断 口 . 2 试验结 果 与分析 ( l) 图 1 给 出了 30 C r M n is 预 。 A 钢 螺纹 滚压 与未 滚压 疲劳 S 一 lg N 曲线 . 由图可 以 看 出: 从 高 应力 到低 应力 螺纹 滚压 强 化的疲 劳 寿命 比未滚 压 的疲 劳寿 命均 得到 大 幅度提 高 , 疲 劳 强度 19 9 7 一 01 一 0 8 收稿 第一 作者 女 57 岁 副教授 DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 1997. 04. 034

Vol.19 No.4 张秀林等：螺纹滚小强化疲劳断口的分 ·375 极限(o,)从未经滚正的280MPa提高到滚压强化后的460MPa.提高了S8.6%:在低应力条 件下的滚压效果更明显， (2)疲芳断口的特征：()图2为疲劳断口的全貌，图中A,B,C为未滚压从高应力到低应 力的断口，a,b.c为滚压强化后从高应力到低应力的断口.由图可见：宏观斯口的特征表现为 两组断口上均有明显的3个区城即疲芳源区，疲劳裂纹扩展区，瞬时断裂区，随着外加应力载 荷的减少，在疲劳断口上疲劳裂纹扩展区所占的面积增大，而在相同应力条件下经螺纹滚压 强化的断口上疲劳扩展区的面积与未经螺纹滚正的相比增大了，相应的瞬时断裂区所占血积 900 800 700 度压oo,-460MP% 6 5 00 30 木嘘压aur2WMh° 200 03 I0' 1051010 10 断裂循环次数N/次 图1试样速压与未滚S一N曲敛 图2疲劳断口全税 A,B.C为未液压，a.b,c为潦压 00m 100um 图3疲劳源的形貌 高应力下的多疲劳源；b低应力虚劳薄数目明显戒少 域小了，见表1.(b)疲劳源区的观察，经螺纹滚压强化和未经滚正强化的断口均为多疲劳 源，随著外加应力载荷的增加疲劳源的数日逐渐增多，见图3，经过多个样品的观察我！看到 在相同应力条件下经滚压强化的斯口疲劳源的数门要少些，疲劳源多数产生于加工刀痕处， 或产生于次表面处.(c)在强化层内距断口边缘0.35mm的相同距离处观察各断口的疲芳条 带的特征如图4所示.图中A,“是在高应力下滚压强化与未滚k强化断口疲劳条带的形貌， B,b是中应力下，C,c是在低应力的对比照片，由照片可以看出滚压后的断口疲芳条带的间 距窄，疲劳裂纹的深度浅，应力越低，这一现象越明显.()在疲劳断口瞬时新裂区，竿螺纹滚 压强化的试样与未经螺纹滚正强化的试样均具有韧窝特征，见图3， 疲劳断口的特征表明，螺纹滚压强化以后裂纹源的数日减少，疲劳扩展区的面积增大，疲 劳条带间距变窄等，这些都意味着在滚压强化后，裂纹萌生的时间延长，裂纹扩展速率降低

·376· 北京科技大学学报 1997年第4期 延长了疲劳寿命，这与疲劳试验S一gN曲线是相一致， 10座 10 um 10m 10 图4康劳扩展区的废劳条故比较 A,为高应力：B,b为中应力：C,c为低应力下演压 表1疲劳扩震区宽度 mim 试样 应力振幅a/MP 850 550 320 未液压试样 2.29 380 4.77 滚压试样 2.33 538 5.85 20#m 3讨论 图5瞬间区韧窝断口 (1)在疲劳新裂过程中，大多数情况下疲劳裂纹开始发生在构件表面应力集中处，如微裂 纹，界面等，成为疲劳裂纹源.螺纹表面进行被压处理后改善了表面的粗糙度，减少了疲芳裂 纹源，提高了材料对疲劳裂纹的形核抗力，从而提高了披劳寿命。 (2)螺纹表面滚压处理后，产生的残余应力叠加到疲劳载荷上，残余应力对材料疲劳性能 的影响与叠加在循环应力幅上的静机械应力的影响方式相同.如果表面的残余应力是压缩的 可以提高疲劳抗力，而螺纹滚压在强化层内正是产生压应力，因此有利于疲劳性能提高， (3)微观组织结构对疲劳性能的影响，在螺纹滚压强化过程中，由于表面金属强烈变形， 引起金属表层位错的增殖.位错的运动以及位错之间的交互作用，并形成很大的微观内应力

Vol.19 No.4 张秀林等：螺纹滚压强化疲劳断口的分析 ·377· 提高了强化层内的屈服强度，疲劳过程是金属晶体往复滑移过程，屈服强度增加就意味着滑 移困难，表面不容易形成挤出和侵入沟，更不容易萌生裂纹，当有裂纹存在时，裂纹是通过裂 纹尖端锐化和钝化过程向前扩展，当裂纹深度不超过强化层深度时，在裂纹尖端存在的高密 度位错和很高微观内应力阻碍裂纹的锐化和钝化，因而起到了降低裂纹扩展的作用，提高了 材料的疲劳寿命， 4 结论 经滚压强化的螺纹与未经滚压强化的螺纹的疲劳断口分析表明，滚压后的螺纹断口、疲 劳扩展区明显增大，疲劳条带间距变小，正是由于这些微观特征的变化，才导致了宏观疲劳寿 命的提高， 参考文献 1宋德玉，高文，赵振业，张伟.内螺纹滚压强化对超高强度钢疲劳性能的影响.航空学报，1995,16(5)：619 2余宗森，田中卓，金属物理.北京：冶金工业出版社，1982.338 3胡世兴.机械失效分析手册.成都：四川科技出版社，1989.314 4何家文，胡奈赛，张定铨.残余应力集中及其对疲劳极限和短裂纹扩展的影响.金属学报，1992,28(9)： A404 Analysis of Screw Rolling Strengthening on Fatigue Zhang Xiulin)Jin Zheng? 1)Applied Science School,UST Beijing,Beijing 100083,China 2)Material Science and Engineering School.USTB ABSTRACT The effect of roll press strengthening on the fatigue fracture of bolts which made of 30CrMnSiNi,A steel was studied.The experimental result shows that the endurance limit of the bolts is increased about 58.6%by roll press strengthening,the fatigue fracture appearance is changed,the number of the origin region of the fatigue crack is reduced,the area of the crack growth zone is increased,and the width of the fatigue striation is decreased.Finely,the mechanism of roll press strengthening was discussed. KEY WORDS screw rolling strengthening,fatigue fracture,30CrMnSiNi,A steel

v fo . 19 No .4 张秀林等 :螺纹滚压强化疲劳断 口 的分析 . 3 7 . 提 高了强 化层 内的屈服 强 度 . 疲 劳过程 是 金 属 晶体往复滑移 过 程 , 屈服 强 度增 加就 意 味着 滑 移 困难 , 表 面 不 容 易形 成挤 出和 侵人 沟 , 更不 容 易萌 生 裂纹 . 当有裂 纹 存在 时 , 裂纹 是 通过 裂 纹 尖端 锐化 和 钝化 过 程 向前 扩展 , 当裂纹 深 度不 超过 强 化层 深 度 时 , 在 裂 纹尖 端存在 的高密 度位 错 和很 高微观 内应力 阻 碍裂 纹 的锐化 和钝 化 , 因而 起 到 了降低 裂 纹 扩展 的作 用 , 提高 了 材料 的疲 劳寿 命 . 4 结论 经滚 压强 化 的螺 纹 与未经 滚压 强化 的螺纹 的疲劳 断 口 分析 表 明 , 滚 压后 的螺纹 断 口 、 疲 劳扩展 区 明显增 大 , 疲 劳条 带间距变 小 , 正 是 由于这 些微 观特 征 的变化 , 才 导致 了宏 观疲 劳寿 命 的提 高 . 参 考 文 献 1 宋德玉 , 高文 , 赵振业 , 张伟 . 内螺纹滚压强化对超高强度 钢疲 劳性能 的影 响 . 航空 学报 , 1 9 95 , 2 余宗森 , 田 中卓 . 金属物理 . 北京 : 冶金工业出版社 , 1 9 82 . 3 8 3 胡世兴 . 机械失效分析手册 . 成都: 四川科技出版社 , 19 89 . 3 14 4 何 家 文 , 胡奈 赛 , 张定 锉 . 残 余应 力集 中及其 对疲 劳极 限 和短 裂 纹扩 展 的影 响 . 金 属 学报 A 4 0 4 1 6 ( 5 ) : 6 1 9 1 9 9 2 , 2 8 ( 9 ) : A n a l y s i s o f S e r e w R o l l i n g S tr e n g t h e n i n g o n F at i g u e 勘 a n g 万u iln 健) 翔 及 e n g Z) l )A p li e d S c i e n c e S e h o l , U S T B e ij i吧 , B e ij i n g 10 0 0 8 3 , C hi n a Z ) M a te ir al S e i an d E n g i n e e ir n g S e h o o l , U S T B A B S T R A C T w ih c h m a d e T l l e e f f’e C t o f o f 3 o C rM n s i饰 Z A or ll Pre s s s te e l w 韶 i n e re as e d s tre n g ht e in n g s tu d i e d . Th e af it g u e fr a e tu re o f ob lts ùhte e x pe ir m e n at l re s u lt s h o w s ht a t e n d u ar n c e li l l l lt 几Ug ue f r a c tu re e r a c k 1 5 re d cu e d 几石g ue s itr a it o n id s c us s e d . K E Y 认 产 O R D S o f ht e 伙〕 lts a Ppe a r a n C C I , ht C a r e a 〔 a bo U t n U r n 5 8 . 6 % be r o f Z O n e 1 5 b y ht e or ll Per s s s t er n g ht e in n g , o fl g l fl i n e er as e d , er g i o n o f ht e af it g u e an d ht e w i d ht o f ht e 1 5 d e e er as e d . R n e ly , ht e m e e h雨 s m o f or ll Per s s s etr n g t h e in n g w as S C化W r o lli n g s etr n g ht e in n g , iaft g u e if 公 c ut er , 3 o C r Mn s i M ZA s et e l