高強(qiáng)度鋼內(nèi)螺紋擠壓強(qiáng)化對(duì)疲勞性能的影響研究

內(nèi)螺紋冷擠壓成形是在工件預(yù)制底孔上通過(guò)擠壓絲錐棱齒的作用使金屬塑性流動(dòng)而形成螺紋牙形的過(guò)程。由于棱齒的多次反復(fù)擠壓，在螺紋表層形成強(qiáng)化層，這一層金屬與基體材料相比將產(chǎn)生三種變化：（1）在材料的組織結(jié)構(gòu)上，晶粒細(xì)化、位錯(cuò)密度增高、晶格畸變?cè)龃�、纖維化程度很高；（2）在強(qiáng)化層中形成較高的宏觀殘余應(yīng)力；（3）螺紋表面粗糙度低。第一種變化提高了材料的屈服強(qiáng)度，必將提高材料的疲勞強(qiáng)度^［1］。表面粗糙度的降低可以減少表面缺陷，即減少應(yīng)力集中，這對(duì)提高疲勞強(qiáng)度有利。殘余壓應(yīng)力可以有效地降低裂紋的擴(kuò)展速率和零件對(duì)缺口的敏感性^［2］。

1　試驗(yàn)方法與條件

　　試驗(yàn)材料為300M高強(qiáng)度鋼,疲勞試件為圓筒，其外徑為28mm,長(zhǎng)度為30mm，內(nèi)螺紋為M24×1.5mm。螺紋的加工工藝有兩種：（1）切削攻絲→等溫?zé)崽幚�；�?）擠壓→等溫?zé)崽幚?rarr;二次擠壓強(qiáng)化，擠壓工具為特制的六棱擠壓絲錐。300M鋼等溫?zé)崽幚砗笥捕雀哌_(dá)HRC50。

　　疲勞對(duì)比試驗(yàn)在MTS±25噸材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，加載方式為軸向恒幅正弦波，頻率為8Hz，應(yīng)力比為0.1，在室溫空氣中試驗(yàn)，置信度為95%。

　　常規(guī)機(jī)械測(cè)試法，一次切割只能獲得一個(gè)數(shù)據(jù)，然后用彈性力學(xué)求出殘余應(yīng)力，因而只能測(cè)出殘余應(yīng)力分布比較簡(jiǎn)單的情況。由于待測(cè)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(cè)定冷擠壓螺紋牙根微區(qū)的殘余應(yīng)力分布，即采用線切割釋放欲測(cè)部位的殘余應(yīng)力，再利用高靈敏度的干涉云紋法，測(cè)量應(yīng)力釋放引起的變形，最后結(jié)合彈性理論，可以獲得殘余應(yīng)力分布。

2　試驗(yàn)結(jié)果

　　當(dāng)在某一應(yīng)力水平下，每組試件的疲勞壽命大部分在10⁶循環(huán)以內(nèi)時(shí)，根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，可以假設(shè)對(duì)數(shù)疲勞壽命遵循正態(tài)分布。這樣就可以對(duì)成組對(duì)比試驗(yàn)進(jìn)行t檢驗(yàn)，給出具有統(tǒng)計(jì)的對(duì)比結(jié)果^［3］。

　　300M鋼內(nèi)螺紋的疲勞對(duì)比試驗(yàn)在兩個(gè)應(yīng)力水平下進(jìn)行，試驗(yàn)結(jié)果見下表^［4］。

　　從下表中可以看出，在同一應(yīng)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(jié)果表明，對(duì)螺紋表面進(jìn)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(dāng)應(yīng)力水平較低時(shí)，擠壓螺紋的增壽效果更加明顯。

表 　疲勞對(duì)比試驗(yàn)結(jié)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(jìn)行最終熱處理；2為擠→熱→擠，表示最終熱處理前后各進(jìn)行一次擠壓。

x為子樣平均值，S為標(biāo)準(zhǔn)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(xiàn)，切削螺紋試件的斷口上出現(xiàn)由多個(gè)疲勞源擴(kuò)展而形成的許多臺(tái)階，這是低周疲勞宏觀斷口的特征之一。這主要是因?yàn)樵谇邢髀菁y牙根部的應(yīng)力集中區(qū)萌生裂紋時(shí)，往往出現(xiàn)多個(gè)疲勞源，多個(gè)疲勞源又不處于同一平面，擴(kuò)展的結(jié)果，各疲勞源之間被分割出許多臺(tái)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(méi)有明顯的疲勞條紋，而是呈現(xiàn)“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(gè)滑移面滑移，而是沿著許多相互交叉的滑移面滑移、經(jīng)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(gè)條紋圖可以求出相應(yīng)的徑向殘余應(yīng)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(yīng)力高達(dá)240MPa，向里層殘余應(yīng)力值將逐漸減小，約在2.2mm處，殘余應(yīng)力降為零。再向里測(cè)量，出現(xiàn)拉應(yīng)力，最大值約為55MPa。只有殘余壓應(yīng)力，才能起到強(qiáng)化作用。

3　討論

3.1　擠壓螺紋表面形變強(qiáng)化層中組織結(jié)構(gòu)與加工硬化的影響

　　金屬材料的疲勞性能與屈服強(qiáng)度在一定范圍內(nèi)為線性關(guān)系，即屈服強(qiáng)度高的材料，產(chǎn)生塑性滑移變形困難，故其疲勞強(qiáng)度也高。而屈服強(qiáng)度的高低或者塑性滑移變形的難易，取決于材料的組織結(jié)構(gòu)。因此，材料的組織結(jié)構(gòu)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(jīng)擴(kuò)展而造成表面剝落或斷裂，其次，材料內(nèi)部缺陷也可能成為裂紋源。所以，提高材料的疲勞性能的關(guān)鍵在于改善材料的表面性能，即改善其表面的組織結(jié)構(gòu)。

圖3　殘余應(yīng)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(yīng)力分布曲線

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

　　對(duì)于螺紋零件來(lái)說(shuō)，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(guò)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(yīng)力集中，易產(chǎn)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(lái)加工；而內(nèi)螺紋則可以采用擠壓法來(lái)加工。其目的主要是強(qiáng)化螺紋牙根部，其次是強(qiáng)化牙側(cè)表面。當(dāng)擠壓絲錐棱齒擠壓金屬時(shí)，金屬產(chǎn)生了塑性變形，伴隨塑性變形過(guò)程晶體發(fā)生滑移，導(dǎo)致晶粒、亞晶粒變長(zhǎng)，同時(shí)亞晶粒內(nèi)位錯(cuò)密度增加；當(dāng)擠壓過(guò)程結(jié)束后，經(jīng)棱齒反復(fù)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(xì)化，均可提高材料的屈服強(qiáng)度。因此，擠壓強(qiáng)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(duì)退火狀態(tài)的材料分析了表面強(qiáng)化層的組織結(jié)構(gòu)變化。對(duì)于擠壓后需要熱處理的材料，如300M高強(qiáng)度鋼，當(dāng)加熱溫度達(dá)到再結(jié)晶溫度時(shí)，強(qiáng)化層內(nèi)的形變金屬發(fā)生再結(jié)晶，晶粒和亞晶粒尺寸逐漸增大，位錯(cuò)密度逐漸降低，微觀和宏觀應(yīng)力也隨之松弛，即擠壓強(qiáng)化的效果將喪失。因此，對(duì)高強(qiáng)度鋼等需要最終淬火熱處理的材料，在熱處理之后，必須對(duì)擠壓螺紋進(jìn)行最終擠壓強(qiáng)化，以達(dá)到通過(guò)形成表面強(qiáng)化層來(lái)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(jié)構(gòu)

Fig.5 Microstructure of surface layer of formed thread

　　螺紋表面層組織結(jié)構(gòu)的變化，將使擠壓螺紋牙形表面硬度有所改變。經(jīng)測(cè)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(dá)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(qiáng)化螺紋強(qiáng)度最有利的角度來(lái)考慮，應(yīng)該首先強(qiáng)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(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度的關(guān)系可知^［1］，材料的硬度的提高，將提高其疲勞強(qiáng)度。

3.2　殘余應(yīng)力對(duì)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(yīng)力是提高疲勞性能的一個(gè)重要途徑，在疲勞過(guò)程中，殘余應(yīng)力起到降低平均應(yīng)力的作用。在拉伸循環(huán)載荷作用下，殘余壓應(yīng)力與外加應(yīng)力迭加的結(jié)果，降低了螺紋牙根處應(yīng)力集中區(qū)的最大應(yīng)力，這相當(dāng)于提高了材料的彈性工作范圍，并改變了循環(huán)載荷的應(yīng)力比。當(dāng)存在裂紋時(shí)，起到降低裂紋尖端附近應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度的作用。因此，殘余壓應(yīng)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(kuò)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(yīng)越小，疲勞強(qiáng)度也就越高。材料的疲勞強(qiáng)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(yīng)該看到，依靠改變表面粗糙度來(lái)改善疲勞性能的潛力是有限的，特別是當(dāng)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(duì)疲勞強(qiáng)度的提高作用不明顯，對(duì)高強(qiáng)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(jià)，造成加工成本增加^［4］。

4　結(jié)論

　　試驗(yàn)結(jié)果表明，高強(qiáng)度鋼內(nèi)螺紋經(jīng)擠壓強(qiáng)化后疲勞性能與未經(jīng)擠壓的切削螺紋相比有了顯著提高。高強(qiáng)度鋼擠壓螺紋的強(qiáng)化與增壽主要?dú)w因于螺紋表層沿牙形連續(xù)分布的纖維組織、殘余壓應(yīng)力和較低的表面粗糙度。