激光喷丸强化提高材料抗微动疲劳性能的对比试验方法及试样夹紧装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种材料改性技术，尤其是一种激光表面强化以及微动疲劳试验技 术，具体地说是一种激光喷丸强化提高材料抗微动疲劳性能的对比试验方法及试样夹紧装 置。
【背景技术】
[0002] 目前，在航空航天、汽车制造、船舶制造等领域，其关键零件大多数服役于机械振 动、交变疲劳载荷和热循环等复杂多样环境中，这将导致通过螺栓连接、铆接、燕尾榫连接 以及过盈配合等方式紧固接触零件之间产生位移量在几十微米的相对位移一一微动。在法 向载荷的作用下，接触表面上的微动会产生切向交变应力，致使微动疲劳裂纹产生萌生和 扩展。微动疲劳在工业中十分普遍，通常出现在接触表面之间而不易被发现与检测，但是它 会促使和加速疲劳裂纹的产生和进一步扩展，严重影响机器设备的服役寿命，甚至造成灾 难性的后果。因此对微动疲劳的机理以及防范措施的研究具有重要意义，目前对于微动疲 劳的研究大多数集中在拉压、扭转或弯曲单轴疲劳载荷下进行，各种载荷形式的复合相对 较少。然而，实际的零件工作环境却较为复杂，单纯单轴疲劳载荷的研究难以发现和解决接 触区域的多轴非比例疲劳载荷的状态。
[0003] 表面改性技术是提高材料抗微动疲劳性能最有效的途径之一。诸如涂层技术、离 子注入技术、预氧化技术以及表面强化等表面改性技术已经相对成熟地运用到工程实际之 中，然而这些现有技术均存在一些弊端，渗氮处理会有产生氢脆的风险，热喷涂的过程中表 面会过热，离子注入技术的深度较浅，涂层技术的结合力低。激光喷丸作为新型的表面强化 的技术，对其的研究和应用已经较为深入，相对于传统的表面改性技术可以获得较深的强 化影响层和较好的稳定性，但是目前激光喷丸强化在抗微动疲劳方面的应用还没有普及， 所以很有必要进行激光喷丸后材料抗疲劳性能的研究，并且通过试验对比更为全面地了解 激光喷丸强化在这方面的优越性。
[0004] 微动疲劳过程中，两个接触面、法向载荷和微动为三个必要条件。试验中，两个接 触面通过微动垫实现，微动垫上施加法向载荷（目前主要有应力环法、液压加载法和重力法 施加法向载荷)，与试样紧密接触。试样在交变载荷的作用下产生应变，从而产生微动疲劳 效应。目前，微动疲劳试验大多采用桥式微动垫，但由于桥式微动垫刚度不足，使得试样与 微动垫的接触条件难以描述。此外，微动疲劳试验装置针对作用于试样上的不同交变载荷 形式，其结构形式各有其特点。目前，大多数的微动疲劳试验装置都局限于单轴疲劳载荷， 尤其拉压疲劳载荷下的微动疲劳最为普遍。公开号CN102087186A的中国专利"微动疲劳 实验平台"通过旋转加载螺钉，给压头和试样施加可测接触力，完成微动微动疲劳试验，该 装置只能进行局限于单轴载荷情况下拉压微动疲劳试验。然而，工程实际中一些零部件通 常在多轴复合载荷的作用下产生微动疲劳，目前已经出现了为数不多的多轴复合载荷下微 动疲劳试验装置。公开号CN103938135A的中国专利"一种点接触式微动疲劳试验装置及 试验方法"通过调节加载螺栓对微动桥加载压力，配合疲劳试验机可以实现对拉压、扭转和 拉扭复合微动疲劳的研究。该装置虽然可以满足多轴载荷的复合，但是工程实际更多是式 面-面接触形式而不是点接触，而且点接触对于微动垫和样件的安装提出更高的要求。
[0005] 综上所述，若能够通过试验方式对比分析，在面-面接触的拉扭复合微动疲劳试 验条件下，研究激光喷丸强化提高材料的抗微动疲劳性能，必将进一步推广激光喷丸强化 在微动疲劳领域的应用。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的是针对现有的激光喷丸强化材料抗微动疲劳性能试验存在的受力 方向单一，不能全面反映零件实际受力状态而造成试验准确性差的问题，发明一种激光喷 丸强化提高材料抗微动疲劳性能的对比试验方法，同时提供一种为满足该试验方法所使用 的试样夹紧装置。
[0007] 本发明的技术方案是之一： 一种激光喷丸强化提高材料抗微动疲劳性能的对比试验方法，其特征在于：在圆棒试 样上进行局部区域激光喷丸强化处理作为激光喷丸区域，作为对比，在轴向相邻的位置预 留未经过表面改性处理的区域作为试验对比区域，然后在对应的激光喷丸区域和试验对比 区域分别布置微动垫，控制两个微动垫之间的轴向间隔为5~10 _，并且通过夹紧装置施加 50~150 MPa的可控均匀接触法向载荷，在疲劳试验机上给圆棒试样施加拉压、扭转或拉扭 复合的交变应力，产生微动疲劳效应；对比经过激光喷丸强化和未经过表面处理区域在不 同试验阶段裂纹的萌生及扩展情况，分析得到激光喷丸强化对试样抗微动疲劳性能的提升 作用。
[0008] 上述方法的具体步骤为： 1) 在待测圆棒试样1的整圆周侧面区域进行激光喷丸强化处理作为激光喷丸区域，作 为试验对比，在其轴向相邻位置预留有未经任何表面处理的区域作为试验对比区域； 2) 在所述的激光喷丸区域和试验对比区域分别布置半圆环面微动垫2,其内圆弧半径 与圆棒试样1的半径相等，四个半圆环面微动垫2将两个试验区域贴合包围，控制两组微动 垫之间的轴向间隔为5~10 mm; 3) 利用压紧金属片3与半圆环面微动垫2紧密贴合，夹紧压紧金属片3以固定半圆环 面微动垫2在圆棒试样1上的位置； 4) 利用测力元件4测量夹紧装置施加于压紧金属片3端部的接触压力尺作用在半圆 环面微动垫2上的法向载荷尸Pa与尸（N满足以下关系：
式中，^为半圆环面微动垫2外圆弧半径，A为微动垫的宽度； 5) 转动螺纹杆12,通过夹紧装置拉紧压紧金属片3,从而给半圆环面微动垫2施加 50~150 MPa可控均匀法向接触载荷； 6) 将圆棒试样1装夹至疲劳试验机，加载拉伸、扭转或拉扭复合交变疲劳载荷进行多 组试验，分别在循环次数为试样总寿命的0. 5%-70%时中断试验至少7次，直到循环试验次 数达到试样总寿命的70%，若未达到设定的循环次数但监测到裂纹长度达到l~2mm时也同 样中断试验； 7)切开试样，借助扫描电镜观察每组试验的试样与微动垫接触的微动区域，分析微动 损伤、裂纹萌生部位和大小，对比研究得到激光喷丸强化对试样抗微动疲劳性能的影响力。
[0009] 所述的激光喷丸强化处理的主要参数为：激光功率密度为2 GW/cm2,光斑直径为2 mm，光斑搭接率为50%~75%〇
[0010] 所述的半圆环面微动垫2的材质与圆棒试样1相同，厚度为1. 5-2. 5 _，宽度为 4-6 mm，其内圆弧半径与圆棒试样1的半径相同，在其表面施加法向载荷，使圆棒试样1的 在交变载荷的作用下产生微动疲劳。
[0011] 所述的压紧金属片3内侧涂有润滑材料15,以减小与半圆环面微动垫2之间的切 向作用力，选用石墨粉作为润滑材料。
[0012] 所述的将圆棒试样1装夹至疲劳试验机，加载拉伸、扭转或拉扭复合交变疲劳载 荷进行多组试验，分别在循环次数为试样总寿命的〇. 5%、2%、5%、10%、20%、30%、50%和70% 时中断试验，若未达到设定的循环次数但监测到裂纹长度达到1~2_时也同样中断试验。
[0013] 本发明的技术方案是之二： 一种激光喷丸强化提高材料抗微动疲劳性能的对比试验用试样夹紧装置，其特征在