| 单词 | 残余应力对疲劳性能的影响 |
| 释义 | 【残余应力对疲劳性能的影响】 拼译：effect of residual stress on fatigue 残余应力在承受静载荷时可能由于发生少量塑性变形而松弛或重新分布，因而在静载下残余应力的影响常常可以忽略。但是在疲劳载荷下，零部件的断裂发生在低应力范围，没有明显的宏观塑性变形，因此零部件中的残余张应力降低其疲劳强度，残余压应力则可提高其疲劳性能。 早期只是将残余应力的分布值叠加在外载应力上，并且考虑到残余应力在交变应力下会发生松弛，用稳定后的残余应力值来进行计算。马赫劳赫(E．Macherauch)1979年定出了退火、回火和淬火状态下的残余应力的敏感系数，还建议将残余压应力看作材料的疲劳抗力的增量，利用材料强度与外载应力作图以判断疲劳裂纹的萌生位置。如表层残余压应力高，疲劳裂纹可能萌生于表下，在隔绝外面介质的状态下扩展，疲劳强度将大为提高。福克斯(H．O．Fuchs)1971年曾用有限元计算了缺口淬火膨张后的残应力分布，发现残余应力的应力集中系数小于理论应力集中系数。在缺口件疲劳性能方面则发现经喷丸或滚压后疲劳强度提高很多，由于缺口处残余应力测定困难，尚不了解缺口处残余应力的分布规律及其与疲劳性能的关系。光滑件的寿命取决于裂纹萌生期，缺口件则取决于裂纹扩展速率。残余应力对裂纹扩展速率的影响成为预测构件疲劳寿命的依据。过去是将残余应力的应力强度因子叠加在外载应力强度因子上来计算裂纹扩展速率的。但是一般计算裂纹扩展速率时只计及应力强度因子大于零的那部分数值，压应力部分不起作用。但事实上压应力越大，裂纹扩展速率越慢，单纯用强度因子计算并不恰当。残余应力与平均应力不同在于它是一个分布值，福来夫诺(J．F．Flavenot)等1984年提出用一定深度内的残余应力值，何家文1984年则建议用裂纹慢速扩展区内的残余应力平均值来计算疲劳极限，由于光滑试件的疲劳寿命主要消耗在此范围内，因此这样处理有较明确的物理意义。残余应力一般呈二维或三维状态和单向的平均应力也不相同，Flavenotl984年提出用Dang-Van的剪切屈服限和水静压力作图发现其线性比Goodman图好，并且可以用于扭转、弯曲等不同应力状态，当然此时仍须取残余应力在某个深度内的稳定值，而且只有疲劳源在表面萌生才符合D-V关系，不能适合于表下源的情况。克鲁斯(K．H．Kloos)等1987年发现缺口件经滚压后的疲劳极限甚至可以超过光滑件经最佳参数滚压后的疲劳限，但未给出解释，张定铨等1991年测定了缺口疲劳试棒的残余应力分布，数据表明残余应力在缺口部位的应力集中与弹性应力的理论应力集中性质不同，其数值不仅和缺口几何形状有关而且和材料的强度有关。高屈服强度材料，无论缺口残余应力的表面值或极大值与光滑件之比作为残余应力集中系数均高于理论应力集中系数。而只有在这种条件下才会出现缺口疲劳限大于光滑件最高疲劳限的情况。残余应力对裂纹扩展速率的影响应该从残余应力对裂纹闭合力的影响来处理。J．C．Newman1981年提出无限大板中心裂纹模型，在无残余应力条件下用解析法计算了裂纹自身闭合力对其扩展速率影响，其结果与实验值相符。林立等1988年将模型改建使之适合于单边裂纹在残余应力场中的扩展情况，残余压应力作为外加闭合力叠加在裂纹自身的闭合力上，其计算值与实验值符合得很好。计算裂纹在残余应力场中的扩展时应该注意残余应力的松弛及再分布现象，特别是短裂纹在形变强化的残余应力层中扩展时，更应用实时的分布值来计算。胡奈赛等提出可用有限元计算所得的残余应力分布值来计算裂纹闭合力，此时计算得出的扩展速率可以表示出短裂纹的异常行为以及缺口裂纹的止裂现象。残余应力对裂纹萌生是否有影响以往一直是有争论的问题，重要的原因在于裂纹萌生的尺度定义不同；若以工程常用长度0．1mm计，实际已包含相当长的短裂纹扩展阶段，残余应力对此阶段的影响很可能是对短裂纹扩展的影响，而不是对萌生的影响。此外引入表面残余应力往往伴随有组织结构的变化，如果采用形变手段，表面尚可能带来损伤，裂纹在有损伤的部位生长，更难判断其萌生期。现在人们更多地把萌生和早期扩展放在一起来讨论，考虑残余应力对裂纹扩展速率的影响极为显著，对是否影响萌生也就议论得少了。残余应力对高强度材料疲劳性能的影响比低强度者大，已是熟知的事实。实际上屈服强度低、形变硬化指数高的材料进行形变强化后，引入的残余应力也不易松弛，例如镁合金、黄铜、不锈钢等形变后可以得到稳定的残余应力值，这是和形变硬化层的组织结构变化有关。一般形变硬化指数低、层错能高的材料在形变后形成位错胞，在正向应力下形成的位错胞承受反向应力时，胞壁趋于松散，再重组成新的位错胞。位错的长程运动使残余应力易于松弛。相反硬化指数高、层错能低的材料在形变后易于形成孪晶结构．在交变载荷下处于稳定状态，其中位错不易作长程运动，残余应力也就不易松弛。残余应力对疲劳裂纹扩展速率的影响以外加闭合力处理虽然获得很大进展，和实验数值也较接近，但残余压应力作为平均应力叠加在交变载荷上这一因素却未在考虑增加闭合力的同时包括进去。如果考虑到残余应力和交变应力叠加改变了最大应力的话，那裂纹自身的闭合力也将相应发生变化。此外在断裂力学处理中并未区分静、动载荷在应力强度因子上的不同。能否将残余应力的强度因子直接叠加在交变载荷的应力强度因子上也是值得探讨的问题。缺口残余应力集中与缺口形状及材料强度有关，如能建立三者的关系，对减弱零部件的缺口效应、实现等强度设计是很有帮助的。以往的研究多偏重于大气、常温下的疲劳，在特殊环境特别是在腐蚀环境下残余应力对疲劳性能的影响研究不够系统，其规律也不清楚。今后在此领域内的研究可能增强。就材料而言，非铁金属的应用日益广泛，这些材料和金属基、陶瓷基复合材料的残余应力对疲劳性能影响也将更为重视。此外表面镀层和涂层的大量应用．表层异质材料的残余应力在交变载荷及疲劳磨损中的作用，也将成为研究的热点。【参考文献】：1 Todd R H，Fuchs H O．Experimental Mechanics．1971，12：548～5532 Starker P，Wohlfahrt，Macherauch E．Fatigue of Engineering Materials and Structures，1979，1：319～3273 Newman J C．ASTM STP．748，1981，53～844 Flavenot J F．Proc 6th Inter Conf on Fracture，New Dehli：1984，1887～18945 Shalli N，Flavenot J F．Proc 6th Inter Conf．on Fracture，New Dehli：1984，1959～19656 何家文，等．Proc．2nd Inter．Conf on Shot Peening，Chincago：1984，340～3457 Kloos K H，Macherauch E．Proc 3rd Inter．Conf on Shot Peening，Garmisch：1984，3～278 林立，等．Proc 2nd Inter Conf on Residual Stress．Nancy：1988，815～8199 张定铨，等．Mat．Sci and Engng．1991，A136：79～8310 胡奈赛，等．西安交通大学学报，1992，24(3)：93～98(西安交通大学金属材料及强度研究所何家文教授撰) |
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