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工業(yè)生產(chǎn)上廣泛應(yīng)用著多種表面強(qiáng)化方法。但如何估算表面強(qiáng)化件的疲勞強(qiáng)度有限元分析，在理論上沒有很好解決。
表面強(qiáng)化處理會(huì)造成一系列的效應(yīng)，都可能影響零件的疲勞強(qiáng)度。這些效應(yīng)主要有如下三類：(1)表面層組織結(jié)構(gòu)的變化；(2)表面形成殘余應(yīng)力場(chǎng)；(3)表面粗糙度的變化；(4)我們認(rèn)為，對(duì)表面強(qiáng)化件疲勞強(qiáng)度的分析，必須綜合考慮各種效應(yīng)的影響(綜合效應(yīng)理論)。
對(duì)于表面無殘余應(yīng)力的零件，其疲勞失效判據(jù)可寫成：a>aw。其中，aw為材料的疲勞極限。而且其疲勞往往源于表面，對(duì)于表面強(qiáng)化件，當(dāng)其受力時(shí)，從表面至心部各處的局部應(yīng)力是不同的。零件各點(diǎn)的疲勞抗力(局部疲勞極限)也是不同的。
隨著強(qiáng)化工藝的不同，表面強(qiáng)化零件的疲勞源可能在表面，也可能在內(nèi)部。本文將著重討論疲勞源在內(nèi)部時(shí)，表面強(qiáng)化零件的疲勞強(qiáng)度問題。
選用20Cr，40Cr及30CrMo鋼，其化學(xué)成分如表所示，加工成10x15x50(跨距為40)mm的三點(diǎn)彎曲試樣，并經(jīng)熱處理及噴丸、碳氮共滲及滲氮三種表面強(qiáng)化處理。
采用逐層電解拋光，用X射線兩點(diǎn)法測(cè)定了殘余壓應(yīng)力沿層深的分布。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，確定殘余壓應(yīng)力場(chǎng)C(RsF)深度20。對(duì)所有試樣測(cè)定顯微硬度沿層深的分布，確定硬度達(dá)到心部硬度的強(qiáng)化層或滲層(全滲層)厚度瓦。進(jìn)行三點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)，其應(yīng)力比R=0.005用升降法確定了5x106周的疲勞極限(用應(yīng)力最大值表示)稱為表象疲勞極限。
噴丸、淺層碳氮共滲及氮化處理試樣的殘余應(yīng)力場(chǎng)有相似的特點(diǎn)：隨深度增加，cRS增加，到達(dá)最大值后逐漸減小。深層碳氮共滲試樣的殘余應(yīng)力場(chǎng)比較復(fù)雜。
得到如下規(guī)律：
(1)表面強(qiáng)化能提高表象疲勞極限。
(2)未經(jīng)表面強(qiáng)化的試件，疲勞裂紋都萌生于表面，而表面強(qiáng)化件疲勞裂紋萌生的位置可能有三種情況：疲勞裂紋萌生于試件內(nèi)部，在殘余壓應(yīng)力層下面的殘余拉應(yīng)力區(qū)域。本文研究的大部分試件都是如此0<25<z。，裂紋萌生于強(qiáng)化層內(nèi)部的殘余壓應(yīng)力區(qū)域內(nèi)，如滲層較厚的碳氮共滲試件及氮化試樣。Zs=0，即裂紋萌生于表面，如No.5，No.8，No.10等噴丸試樣。這可能是噴丸過度造成表面粗糙度增加或表面惡化(出現(xiàn)微裂紋)所致。若將其中一些試樣的表面電解拋光，其疲勞裂紋萌生位置又推到內(nèi)部殘余拉應(yīng)力區(qū)中(No.6，No.9，No.11)。
(3)表面強(qiáng)化效果與裂紋萌生位置有關(guān)，當(dāng)Zs>Zo時(shí)，強(qiáng)化效果最好。比較No.5與No.6，No.10與No.11，No.8與No.9，No.16與No.17的wa，可明顯看出，當(dāng)Zs>z時(shí)，wa值較高。
(4)碳氮共滲的強(qiáng)化效果優(yōu)于噴丸。但深層碳氮共滲(No.17)與淺層No.16相比，由F其裂紋萌生于強(qiáng)化層內(nèi)(0<Zs<Zo)，雖然滲層較厚，其強(qiáng)化效果反而較差。氮化(No.24)雖然在表層造成硬度很高的滲層，但由于其裂紋萌生于強(qiáng)化層內(nèi)，其強(qiáng)化效果反不如噴丸(No.23)。
對(duì)于內(nèi)部起裂試樣，疲勞源處的殘余應(yīng)力不大，它的作用可看作是與載荷應(yīng)力的簡(jiǎn)單疊加。表面殘余應(yīng)力場(chǎng)中殘余壓應(yīng)力部分可以通過實(shí)測(cè)得到，因此當(dāng)疲勞源位于殘余壓應(yīng)力區(qū)內(nèi)時(shí)，s可直接確定。但多數(shù)疲勞源都位于殘余拉應(yīng)力區(qū)內(nèi)，此時(shí)須通過計(jì)算后得到。三種試樣的疲勞行為鋼噴丸試樣同一熱處理狀態(tài)的試樣，只要疲勞源位于內(nèi)部，其wal基本相同。
研究表明，疲勞源位于形變層以下，那里除了形成殘余(彈性)拉應(yīng)力之外，不產(chǎn)生任何組織結(jié)構(gòu)變化.因此，疲勞源位于內(nèi)部時(shí)的可以認(rèn)為是材料的特征參量，并建議將其稱為內(nèi)部疲勞極限，其值可取各的平均值。相對(duì)于wa，未噴丸件(表面電解拋光，殘余應(yīng)力小于40MPa，其疲勞都源于表面)的兩種狀態(tài)試樣的比值很接近。
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