高強度鋼內螺紋擠壓強化對疲勞性能的影響研究

內螺紋冷擠壓成形是在工件預制底孔上通過擠壓絲錐棱齒的作用使金屬塑性流動而形成螺紋牙形的過程。由于棱齒的多次反復擠壓，在螺紋表層形成強化層，這一層金屬與基體材料相比將產生三種變化：（1）在材料的組織結構上，晶粒細化、位錯密度增高、晶格畸變增大、纖維化程度很高；（2）在強化層中形成較高的宏觀殘余應力；（3）螺紋表面粗糙度低。第一種變化提高了材料的屈服強度，必將提高材料的疲勞強度^［1］。表面粗糙度的降低可以減少表面缺陷，即減少應力集中，這對提高疲勞強度有利。殘余壓應力可以有效地降低裂紋的擴展速率和零件對缺口的敏感性^［2］。

1　試驗方法與條件

　　試驗材料為300M高強度鋼,疲勞試件為圓筒，其外徑為28mm,長度為30mm，內螺紋為M24×1.5mm。螺紋的加工工藝有兩種：（1）切削攻絲→等溫熱處理；（2）擠壓→等溫熱處理→二次擠壓強化，擠壓工具為特制的六棱擠壓絲錐。300M鋼等溫熱處理后硬度高達HRC50。

　　疲勞對比試驗在MTS±25噸材料試驗機上進行，加載方式為軸向恒幅正弦波，頻率為8Hz，應力比為0.1，在室溫空氣中試驗，置信度為95%。

　　常規(guī)機械測試法，一次切割只能獲得一個數據，然后用彈性力學求出殘余應力，因而只能測出殘余應力分布比較簡單的情況。由于待測零件部位是螺紋牙根這一微小區(qū)域，所以，其它物理法也不宜采用。為此，本文提出采用高精度密柵云紋干涉法測定冷擠壓螺紋牙根微區(qū)的殘余應力分布，即采用線切割釋放欲測部位的殘余應力，再利用高靈敏度的干涉云紋法，測量應力釋放引起的變形，最后結合彈性理論，可以獲得殘余應力分布。

2　試驗結果

　　當在某一應力水平下，每組試件的疲勞壽命大部分在10⁶循環(huán)以內時，根據實踐經驗，可以假設對數疲勞壽命遵循正態(tài)分布。這樣就可以對成組對比試驗進行t檢驗，給出具有統(tǒng)計的對比結果^［3］。

　　300M鋼內螺紋的疲勞對比試驗在兩個應力水平下進行，試驗結果見下表^［4］。

　　從下表中可以看出，在同一應力水平下，擠壓螺紋的疲勞壽命與切削螺紋的疲勞壽命有顯著差異，并且前者總是高于后者。這一結果表明，對螺紋表面進行擠壓可以顯著地改善螺紋的疲勞性能。此外，擠壓增壽效果隨外加載荷的變化而有所不同，當應力水平較低時，擠壓螺紋的增壽效果更加明顯。

表 　疲勞對比試驗結果（α=5%，γ′=95%）

Table  　Results of fatigue tests（α=5%，γ′=95%）

　注：表中1為切削→熱，表示切削攻絲后再進行最終熱處理；2為擠→熱→擠，表示最終熱處理前后各進行一次擠壓。

x為子樣平均值，S為標準差，N₅₀為母體的中值疲勞壽命。

　　圖1給出了300M鋼的切削螺紋試件和擠壓螺紋試件的宏觀疲勞斷口。從圖1a中，可以發(fā)現，切削螺紋試件的斷口上出現由多個疲勞源擴展而形成的許多臺階，這是低周疲勞宏觀斷口的特征之一。這主要是因為在切削螺紋牙根部的應力集中區(qū)萌生裂紋時，往往出現多個疲勞源，多個疲勞源又不處于同一平面，擴展的結果，各疲勞源之間被分割出許多臺階。而在擠壓螺紋的宏觀斷口上很少觀察到明顯的疲勞源區(qū)(圖1b）。

（a）切削螺紋;（b）擠壓螺紋

圖 1　疲勞源區(qū)的宏觀斷口

(a) cut thread;(b) formed thread

Fig.1 Fracture section of fatigue source

　　從圖2斷口照片看，擠壓螺紋斷口上沒有明顯的疲勞條紋，而是呈現“波紋”花樣特征，這是因位向不同的晶粒之間的相互約束和牽制，不可能僅沿一個滑移面滑移，而是沿著許多相互交叉的滑移面滑移、經多次變形后形成的。

圖2　疲勞斷口的SEM照片

Fig.2　SEM photograph of fatigue fracture

　　圖3為云紋干涉法獲得的附加位移條紋圖。利用這個條紋圖可以求出相應的徑向殘余應力γ分布曲線，如圖4所示。

　　由圖4可知，螺紋根部的宏觀殘余壓應力高達240MPa，向里層殘余應力值將逐漸減小，約在2.2mm處，殘余應力降為零。再向里測量，出現拉應力，最大值約為55MPa。只有殘余壓應力，才能起到強化作用。

3　討論

3.1　擠壓螺紋表面形變強化層中組織結構與加工硬化的影響

　　金屬材料的疲勞性能與屈服強度在一定范圍內為線性關系，即屈服強度高的材料，產生塑性滑移變形困難，故其疲勞強度也高。而屈服強度的高低或者塑性滑移變形的難易，取決于材料的組織結構。因此，材料的組織結構是影響疲勞性能的重要因素之一。由于疲勞破壞主要是由表面裂紋經擴展而造成表面剝落或斷裂，其次，材料內部缺陷也可能成為裂紋源。所以，提高材料的疲勞性能的關鍵在于改善材料的表面性能，即改善其表面的組織結構。

圖3　殘余應力釋放后的位移條紋圖

Fig.3　Displacement fringe pattern after residual stress released

圖4　螺紋根部殘余應力分布曲線

Fig.4 Distribution of residual stress at the root of thread

　　對于螺紋零件來說，其破壞形式主要有二種，一種破壞發(fā)生在螺紋收尾處，這可以通過改變收尾形式加以消除；另一種破壞是由于切削螺紋根部有較大的應力集中，易產生疲勞裂紋而造成的。這就需要改變螺紋加工工藝，外螺紋可以采用滾壓法來加工；而內螺紋則可以采用擠壓法來加工。其目的主要是強化螺紋牙根部，其次是強化牙側表面。當擠壓絲錐棱齒擠壓金屬時，金屬產生了塑性變形，伴隨塑性變形過程晶體發(fā)生滑移，導致晶粒、亞晶粒變長，同時亞晶粒內位錯密度增加；當擠壓過程結束后，經棱齒反復擠壓后的材料，其晶粒已纖維化。如圖5所示。

　　金屬材料的晶粒或亞晶粒的細化，均可提高材料的屈服強度。因此，擠壓強化能顯著地改善材料的疲勞性能，擠壓螺紋的壽命必將高于切削螺紋。以上是針對退火狀態(tài)的材料分析了表面強化層的組織結構變化。對于擠壓后需要熱處理的材料，如300M高強度鋼，當加熱溫度達到再結晶溫度時，強化層內的形變金屬發(fā)生再結晶，晶粒和亞晶粒尺寸逐漸增大，位錯密度逐漸降低，微觀和宏觀應力也隨之松弛，即擠壓強化的效果將喪失。因此，對高強度鋼等需要最終淬火熱處理的材料，在熱處理之后，必須對擠壓螺紋進行最終擠壓強化，以達到通過形成表面強化層來改善擠壓螺紋的疲勞性能之目的。

圖5　擠壓螺紋牙根表層顯微結構

Fig.5 Microstructure of surface layer of formed thread

　　螺紋表面層組織結構的變化，將使擠壓螺紋牙形表面硬度有所改變。經測試，牙根表面硬度HV為760，而基體為500，其中牙根硬化程度高達52%。眾所周知，一般切削螺紋的破壞多發(fā)生在螺紋的牙根部，因此，從強化螺紋強度最有利的角度來考慮，應該首先強化牙根部，而擠壓螺紋正好能滿足這一要求。從材料的硬度與屈服強度、疲勞強度的關系可知^［1］，材料的硬度的提高，將提高其疲勞強度。

3.2　殘余應力對擠壓螺紋增壽的影響

　　在擠壓螺紋牙根表面層引入殘余壓應力是提高疲勞性能的一個重要途徑，在疲勞過程中，殘余應力起到降低平均應力的作用。在拉伸循環(huán)載荷作用下，殘余壓應力與外加應力迭加的結果，降低了螺紋牙根處應力集中區(qū)的最大應力，這相當于提高了材料的彈性工作范圍，并改變了循環(huán)載荷的應力比。當存在裂紋時，起到降低裂紋尖端附近應力場強度的作用。因此，殘余壓應力的存在，不但能抑制或推遲疲勞裂紋的萌生，而且還能減緩裂紋的擴展速率。這些因素的存在，將使擠壓螺紋的疲勞壽命增加。

3.3　表面粗糙度的影響

　　表面粗糙度越低，缺口效應越小，疲勞強度也就越高。材料的疲勞強度隨著表面粗糙度的降低而增高。在任何情況下，降低零件的表面粗糙度總是有利于疲勞性能的改善，但是也應該看到，依靠改變表面粗糙度來改善疲勞性能的潛力是有限的，特別是當表面粗糙度降低到Ra0.4μm以后，再繼續(xù)降低表面粗糙度一方面對疲勞強度的提高作用不明顯，對高強度鋼也是如此，另一方面，一味地降低表面粗糙度需要付出更高的代價，造成加工成本增加^［4］。

4　結論

　　試驗結果表明，高強度鋼內螺紋經擠壓強化后疲勞性能與未經擠壓的切削螺紋相比有了顯著提高。高強度鋼擠壓螺紋的強化與增壽主要歸因于螺紋表層沿牙形連續(xù)分布的纖維組織、殘余壓應力和較低的表面粗糙度。