不同加工表面特征对高强钢循环特性及寿命预测的影响机制研究

针对高强钢加工表面层特征影响疲劳寿命预测精度的问题，研究人员通过整合循环位错能量分析与应变控制扭转疲劳试验，系统研究了车削/磨削表面完整性参数与疲劳性能的关联性。研究发现优化表面完整性可实现不同扭应变幅下一致的疲劳寿命保留率，并建立了融合表面特征的位错能量预测模型，为疲劳关键部件加工工艺优化提供了理论框架。

　　

高强钢作为重型机械、航空发动机曲轴等关键部件的核心材料，其疲劳性能直接决定设备可靠性。然而，传统能量法预测寿命时往往忽略加工表面层特征（如车削/磨削导致的残余应力、组织缺陷），导致预测偏差。尤其对于承受大扭转载荷的部件（如45CrNiMoVA超高强钢扭力轴），表面微观裂纹的萌生与扩展会引发灾难性断裂。现有研究多聚焦基体材料的循环硬化/软化行为，缺乏对表面完整性参数与疲劳损伤机制关联的系统解析。

为解决这一瓶颈问题，国内研究人员通过应变控制扭转疲劳试验结合多尺度表征技术，揭示了车削/磨削表面在循环载荷下的独特演化规律。研究发现：精密车削表面表现出四阶段循环软化（快速→中速→慢速→超快速），而精密磨削表面在中低速阶段软化速率相似；车削工艺虽具有更高的循环强度系数，但疲劳韧性系数最低。通过透射电镜(TEM)分析发现，表面加工诱发的几何必需位错(GND)密度梯度与残余应力场协同作用，显著影响位错存储能量(dislocation stored energy)的积累效率。

关键技术方法包括：应变控制扭转疲劳试验（ISO 1352:2011标准）、表面/亚表面特征多尺度表征（白光干涉仪、X射线衍射残余应力测试）、透射电镜(TEM)位错构型分析，以及基于塑性应变能、残余应力能和位错能量的多参数建模。

Cyclic hardening and softening
研究表明：去除淬火表层后，45CrNiMoVA钢在初始10周次呈现轻微循环硬化，随后进入稳定期，最终快速软化。扭角增至28°时，车削试件疲劳寿命从39,036周骤降至689周，而磨削试件因更高的位错存储能量保留率展现出更优的寿命稳定性。

Effect of torsional strain characteristics
通过对比车削与磨削工艺发现：扭应变幅增加会加速表面层位错重组，粗糙磨削试件的疲劳韧性指数比精密车削高18.7%，证实加工诱导的残余压应力可有效延缓循环软化。

Conclusion
研究创新性提出融合表面完整性参数的位错能量模型，该模型通过量化加工工艺对GND密度和残余应力能的影响，将预测误差从传统方法的±35%降低至±12%。理论框架为评估加工表面完整性对疲劳性能的影响提供了新范式，尤其对优化淬火-回火后加工工艺具有重要指导价值。

该成果发表于《Surface and Coatings Technology》，不仅填补了表面特征依赖型疲劳损伤机制的理论空白，更为高强钢关键部件的性能导向型加工提供了可量化的评价体系。研究揭示的"加工工艺-表面完整性-位错能量-疲劳寿命"四元关系，为航空发动机曲轴等部件的抗疲劳设计开辟了新思路。