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背景简介

为了实现碳中和，减少二氧化碳排放成为各国亟待解决的问题之一。提升材料的强度不仅能够实现机械和结构部件的小型化，还可以显著提高机器和结构的环保性能。然而，机械部件在使用过程中经常会由于疲劳而发生断裂事故，特别是在航空、汽车和基础设施等领域。表面处理技术，如喷丸处理、感应淬火和渗碳处理等技术，能够在金属表面有效地引入压缩残余应力、强化表面并细化晶粒，从而显著提高机械部件的疲劳强度。其中，压缩残余应力因其能够抑制疲劳裂纹的扩展而在提高金属疲劳性能方面发挥着重要作用。

然而，压缩残余应力在循环加载过程中会发生松弛，这种松弛行为会削弱其抑制裂纹扩展的能力，从而降低材料的疲劳极限。因此，为了准确预测表面改性材料的疲劳极限，有必要深入了解压缩残余应力的松弛行为。目前，虽然有研究探讨了残余应力松弛的机制及其影响因素，但针对表面处理引起的压缩残余应力松弛的影响因素尚未得到充分量化。已有研究表明，喷丸处理引起的压缩残余应力随试样硬度的增加而增加，且硬度较高的试样在疲劳测试后仍能保持较大的压缩残余应力。这表明材料硬度对压缩残余应力的松弛行为具有重要影响，但其具体的定量关系仍需进一步研究。在本研究中，采用细颗粒喷丸技术（FPP，fine-particle peening）在不同硬度的样品中产生残余应力，同时利用原位X射线应力测量方法来跟踪循环加载过程中压缩残余应力的变化。基于所获得的结果，开发了一种评估残余压应力松弛的方法，并定量评估了疲劳过程中试样硬度与残余压应力稳定性之间的关系。

成果介绍

（1）轴向载荷疲劳试验的结果如图1所示，结果表明疲劳性能随着试样硬度的增加而增强。疲劳性能的改善可归因于热处理引起的材料硬度增加和FPP引起的压缩残余应力。Q+T100+FPP试样（T450含义为回火温度450 ℃）疲劳强度较高，可归因于试样疲劳裂纹萌生位置在表面和内部之间的转变。图2为断口表面观察到的裂纹萌生部位的SEM图，可以发现在FPP和Q+T450+FPP试样中，疲劳裂纹萌生于表面压痕，这很可能是由细颗粒喷丸轰击引起的。相比之下，Q+T100+FPP试样裂纹萌生于表面以下的夹杂物，因此残余压应力有效地抑制了疲劳裂纹从表面萌生。

图1 不同硬度AISI 4140试样在FPP处理后的S-N曲线图

图2 (a) FPP，(b) Q+T450+FPP和(c)(d) Q+T100+FPP试样断口表面的SEM图

（2）为了深入了解疲劳过程中残余压应力的稳定性，对样品的残余压应力松弛进行了评估。图3显示了每类试样的疲劳循环周次和样品表面残余应力之间的关系。施加到FPP、Q+T450+FPP和Q+T100+FPP试样上的应力幅值分别为600、800和1000 MPa。在FPP试样中，压缩残余应力在疲劳载荷的第一个循环中松弛。随后，随着循环周次的增加，压缩残余应力逐渐减小。而在Q+T450+FPP试样中，压缩残余应力在第一个循环中发生明显松弛，随后在后续循环中逐渐松弛。尽管施加应力幅较高，但Q+T450+FPP试样在后续疲劳循环后剩余的残余压缩应力仍高于FPP试样。在Q+T100+FPP试样中，尽管与其他类型的试样相比施加的应力幅值更高，但在整个疲劳过程中，压缩残余应力始终保持在大约−1100 MPa的高水平。这表明Q+T100+FPP在本研究中所有试样中表现出最稳定的残余压应力。

图3 疲劳过程中残余应力的变化

（3）当残余压缩应力和施加的压缩应力的组合超过屈服强度时，会发生残余应力松弛。为了定量评估残余压缩应力松弛的阈值（残余压应力松弛阈值是指残余压应力层内局部压缩屈服点），引入了松弛阈值应力的概念：xxx MPa偏移（xxx是任意偏移值）的松弛阈值应力定义为导致xxx MPa压缩残余应力松弛的应力。因此，从物理上来说，这个偏移值表示当表面应力达到松弛阈值应力时残余应力松弛的量。图4显示了偏移值为100、200和400 MPa时硬度与松弛阈值应力之间的关系，结果表明松弛阈值应力与样本硬度成正比，样本硬度与压缩屈服强度呈线性相关。对于所有条件，硬度和松弛阈值应力之间的相关系数超过0.98，该结果证实硬度显著地影响初始残余应力和残余应力的松弛（此外，FPP引起的初始残余压应力也随着试样硬度的增加而线性增加）。这些结果表明，FPP引起的初始残余压应力及其稳定性可以根据试样的硬度进行估计。

图4 维氏硬度与松弛阈值应力之间的关系

（4）图5表示疲劳试验压缩时的施加应力与试验前后的残余应力之和。虚线代表100 MPa偏移的松弛阈值应力，当施加的残余应力和压缩残余应力的总和超过松弛阈值应力（对应于局部压缩屈服强度）时，压缩残余应力发生松弛（FPP和Q+T450+FPP试样）。相反，当总应力低于松弛阈值时，不会发生松弛（Q+T100+FPP试样）。当残余压缩应力松弛时（图5a、5b），100 MPa偏移的松弛阈值应力与疲劳试验后施加的压缩应力和残余应力之和一致。反之，当压缩残余应力保持不松弛时，疲劳试验后的残余应力等于初始残余应力（图5c）。这些结果表明，可以使用 100 MPa偏移的松弛阈值应力来估计疲劳试验松弛后剩余的残余应力。该结果与先前研究中报道的结果非常一致，其中残余压应力是通过从局部屈服应力中减去所施加的压应力来量化的。

图5 使用100 MPa偏移的松弛阈值应力估算：(a) FPP、(b) Q+T450+FPP和(c) Q+T100+FPP试样疲劳试验后剩余的压缩残余应力

致谢

这项工作本研究得到了Mori制造与研究基金会以及庆应义塾大学纪念基金博士生助学金项目计划的资助。本文第一作者：Motoaki Hayama:（Keio University）；通讯作者：Jun Komotori（ Keio University）。

本期小编：    王永杰（整理）

闵　琳（校对）

舒　阳（审核）

王永杰（发布）