当特种车辆行驶在复杂路况时，，，车轮接受的大量冲击载荷由承载轴传递至悬挂系统其他弹性元件并被吸收，，，车体所受冲击减小[1]。。。在此过程中承载轴接受较大的随机弯曲旋转复合载荷，，，易产生委顿断裂。。。承载轴资料通常选器拥有高强度的镍铬钢，，，为满足轻量化需要，，，拥有较高比强度的钛合金也逐步用于制作承载轴，，，如TC10、TC11、TC27等[2]。。。

改善钛合金承载轴委顿寿命是提高车辆工作寿命、降低使用成本的有效伎俩。。。委顿裂纹通常发源于资料理论或次理论，，，委顿行为与资料理论齐全性亲昵有关[3]。。。例如，，，残存压应力能够抵消部额外加载荷的不利影响，，，降低均匀应力，，，提高裂纹萌生抗力，，，故障委顿裂纹扩大；理论粗糙度较高的理论应力集中水平较高，，，导致委顿寿命降低；微观结构与显微硬度等则会影响资料强度，，，从而影响委顿寿命。。。

Wu[4]等钻研了铣削-喷丸强化复合加工对TC11钛合金理论齐全性及委顿机能的影响，，，委顿机能对刀痕更为敏感，，，精铣通从前除刀痕能够有效削减裂纹形核位点。。。Ren等[5]选取分歧的滚压工艺对TC27钛合金进行强化，，，试样理论粗糙度、显微硬度、残存应力等指标均得到优化，，，试件委顿寿命得到显著改善。。。

Gu等[6-7]钻研了激光冲击强化对TC4钛合金共形接触微动委顿寿命的影响以及理论结构对裂纹形核的影响，，，激光冲击强化增长了残存压应力的影响层深，，，在1.0×107次循环载荷下，，，寿命提高了70.4%，，，理论偏度和峰度较高的区域更利于裂纹形核。。。为了更高效地钻研结构件多轴委顿寿命的影响成分，，，学者们选取有限元仿真的伎俩成立了多种寿命预测模型。。。临界平面法是多轴委顿理论与寿命预测的最显著进展，，，在多轴委顿寿命预测钻研中占据重要职位。。。Findley[8]最早提出了临界平面的概念，，，将剪切应力作为裂纹萌生和扩大的重要节制参量。。。Brown等[9]以为正应变加快了裂纹萌生，，，在预测委顿寿命时正应变与剪应变应同时思考。。。Socie等[10-11]提出了在最大剪切平面上以法向应力作为危险参量，，，并在思考了多轴附加硬化效应与均匀应力的情况下提出了Fatemi-Socie(FS)寿命预测模型。。。对于拉伸型失效，，，Smith等[12]思考了最大正应力与最大正应变的综合作用，，，提出了以最大正应变平面为临界平面的Smith-Waston-Topper(SWT)寿命预测模型，，，可能较为正确地预测拉伸型失效委顿寿命。。。甘磊等[13]基于SWT模型提出两个新的能量参数，，，针对分歧资料与分歧委顿大局成立了统一的多轴委顿寿命预测模型，，，此模型预测精度较高。。。Song等[14]将理论描摹与残存应力引入二维有限元模型并利用SWT与FS模型预测TC4微动委顿寿命，，，应力分量的相位差、主应力方向以及应力梯度是影响裂纹萌生的重要原因，，，较高理论偏度和峰度加快了裂纹的萌生。。。临界平面

法预测多轴委顿寿命现已获得肯定的钻研成就，，，但目前钻研大多是基于零件宏观结构受载与资料属性进行寿命预测，，，而机械加工造成的理论齐全性的扭转对委顿寿命的影响钻研较少，，，若何在寿命预测中引入理论齐全性指标从而领导工艺优化，，，仍需进一步钻研。。。

本文以某型承载轴资料TC11钛合金为钻研对象，，，成立了弯扭载荷作用下的宏观受载有限元模型以及蕴含理论粗糙度与残存应力的微观有限元模型，，，选取SWT模型对TC11弯扭委顿寿命进行预测，，，钻研理论粗糙度与残存应力对弯扭委顿寿命的影响法规；选取车削与超声滚压两种工艺加工的试样进行委顿尝试，，，验证模型预测的正确性，，，对比两种工艺下试样理论齐全性并钻研断裂机理。。。

1、钻研规划

1.1 钻研资料

资料为 TC11 (Ti-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.3Si) 钛合金，，，重要化学成分见表 1。。。重要组织为 α+β 双相结构，，，其中 α 相为主相，，，资料背散射电子描摹 (Backscatter Electron，，，BSE) 如图 1 所示，，，晶粒尺寸最大不超过 30μm。。。锻态室温力学机能见表 2。。。委顿试样毛坯规格为 Φ21mm×250mm。。。

表 1 TC11 化学成分

Tab.1 Chemical composition of TC11

表 2 锻态 TC11 钛合金室温力学机能

Tab.2 Mechanical properties of wrought TC11 titanium alloy at room temperature

1.2 蕴含理论粗糙度与残存应力的有限元建模

理论粗糙度的尺度通常为微米级，，，在宏观模型上难以仿照真实的微观理论描摹，，，因而必要成立微观模型并导入天堑前提。。。首先实现宏观结构的有限元建模，，，宏观模型如图 2 所示，，，后续钻研中的委顿试样也选取此结构。。。

模型在 ABAQUS 中成立，，，如图 3 所示，，，一端齐全固定约束，，，另一端约束除轴向外的另两个方向，，，两侧圆弧终点处限度竖直方向的自由度。。。在试样一端施加扭矩 T，，，中部沿法向施加集中力 F，，，具体如下：：：

式中：：：F0 为分歧水平的集中力初值，，，扭矩与集中力加载相位角插值为 0° ，，，即同相加载；微观模型为边长为 100μm 的立方体，，，网格尺寸设置为 2μm，，，共天生 125000 个 C3D8 六面体网格，，，将其嵌入宏观模型理论，，，并将统一坐标系下的宏观模型的位移映射到微观模型理论，，，作为其天堑前提。。。

由于微观模型尺寸远小于宏观模型，，，因而并未思考试样圆柱面引起的理论曲率，，，微观模型在利用宏观模型天堑前提时产生的偏移能够忽略不计。。。面粗糙度 Sa 为理论的均匀高度误差，，，是肯定区域内高度误差的均匀值，，，微观模型中的理论粗糙度在 ABAQUS 中由插件天生，，，以 S3 为指标设置 0.4、0.8、1.6、3.2μm 4 个水平。。。高度散布作为曲面天生算法，，，模型理论单元的高度信息遵从高斯散布，，，即

式中：：：σ 为尺度差，，，z 为理论单元的高度。。。本文中现实零件的加工工艺为车削与超声滚压，，，建模时通过设置模型轴向与周向的采样点数进行样条插值，，，仿照刀痕结构 [15]。。。残存应力由预应力场施加，，，对微观模型在深度方向分层，，，逐层施加轴向与周向残存应力并通过一个空分析步平衡，，，仿照真实加工资料表层及次表层的残存应力勺型散布状态。。。理论粗糙度与残存应力设置见图 4、5。。。

1.3 SWT 寿命预测模型

选取 SWT 参数来评估资料在弯扭载荷下的委顿，，，该参数界说为最大拉应力与最大应变幅的乘积。。。SWT 参数推算公式如下:

式中：：：E 为资料的弹性模量，，，σ_n^max 为临界平面上的最大法向应力，，，Δε_n 为法向应变幅，，，Nf 为裂纹萌生寿命，，，σ_f、ε_f、b 和 c 别离为资料的轴向委顿强度系数、轴向委顿延性系数、委顿强度指数和委顿延性指数，，，资料参数见表 3。。。

使用临界平面法时，，，单元各个方向的 SWT 参数都必要用平面应力状态斜截面公式推算，，，将每个循环中每个单元的最大 SWT 作为最终输出。。。平面应力状态的斜截面公式可暗示为

式中：：：σ_s、σ_y 别离为 x、y 方向的正应力分量，，，τ_x 为 XY 平面的剪应力，，，α 为斜截面法线与 X 轴的夹角。。。寿命预测模型中理论齐全性具体成分水平设计见表 4，，，以理论粗糙度、理论轴向残存应力、理论周向残存应力为设计变量，，，每个成分别离设计 4 个分歧水平，，，在每组有限元模型中除改观的参数外，，，其余理论齐全性拔取水平 2 的参数，，，即：：：S_a=0.8μm ，，，σ_a=-200MPa，，，σ_c=-200MPa。。。式 (1) 中 F0 取 21kN。。。

表 3 TC11 委顿机能参数[16]

Tab.3 TC11 fatigue performance parameters

表 4 理论齐全性参数设计

Tab.4 Surface integrity parameter design

1.4 弯扭委顿寿命与断裂机理钻研

将毛坯通过车削加工成如图 2 所示的委顿试样，，，取部门车削试样超声洗濯后进行超声滚压加工，，，选取两种试样进行弯扭委顿尝试。。。车削及超声滚压加工参数见表 5。。。

表 5 试样加工工艺参数

Tab.5 Sample processing parameters

使用基恩士 3D 激光共聚焦扫描显微镜 VK-X100 丈量两种工艺下理论粗糙度并分析三维描摹。。。选取仪器压痕测试技术 [17] 表征资料部门显微硬度，，，在已加工试样上沿横截面切下待测样品，，，经镶块、研磨、抛光后，，，使用 MHVS-30AT 数显维氏硬度计进行硬度测试，，，选择金刚石正四角锥压头，，，负载巨细为 4.9N，，，：：：晒Ψ蛭 15s。。。使用 Proto LXRD 微区应力仪，，，选取 X 射线衍射 (XRD) 的 sin2θ 法丈量试样加工理论残存应力，，，选用 Cu-Kα 靶材，，，布拉格角 θ 选用 142°。。。使用非标尝试系统进行弯扭委顿尝试，，，见图 6。。。

尝试系统通过两个底座进行固定支持，，，试样水平搭载在底座上，，，集中力加载头于试样中部施加垂直向下的交变载荷。。。试样两端通过联轴器与扭矩作用筒衔接并接受扭矩。。。最大扭矩为 100N?m，，，最大集中力 F0 为设计变量，，，扭矩与集中力同相加载，，，应力比为 1/3，，，频率 3Hz。。。委顿尝试温度为 25℃，，，试样断裂后取下，，，统计委顿寿命与预测寿命进行对比，，，验证预测模型的正确性。。。将断口切下后利用 SEM 电子扫描显微镜对委顿断口的宏观及微观描摹进行观测，，，钻研 TC11 在弯扭载荷下的断裂机理。。。

2、了局与会商

2.1 委顿寿命预测

图 7 为微观模型理论与截面的 SWT 危险参量散布情况，，，资料表层 SWT 的散布情况取决于理论描摹，，，在车削刀痕的波谷处的值较大，，，在波峰处较小，，，委顿裂纹萌生容易在波谷处产生，，，并在轴向拉应力作用下向资料内部扩大。。。在资料内部由于残存应力的勺型散布，，，分歧层深处的 SWT 重要取决于残存压应力的巨细，，，在图 5 的设计中，，，资料表层与 60~100μm 处的残存压应力水平较小，，，然而在资料表层由于理论粗糙度产生的应力集中效应，，，裂纹依然更容易在表层产生。。。

图 8 为分歧理论齐全性指标下的委顿寿命预测了局。。。理论粗糙度 S3 由 3.2μm 降至 0.4μm，，，寿命提高了约 182%。。。在循环交变弯扭载荷作用下，，，加工理论概括的波谷地位产生应力集中，，，从而诱发理论的委顿裂纹萌生。。。随着理论粗糙度增大，，，应力集中水平增大，，，裂纹尖端应力强度因子增大，，，达到应力强度阈值，，，委顿裂纹更早萌生并起头扩大，，，使得委顿寿命降低。。。随着轴向残存压应力由 100MPa 增大至 400MPa，，，寿命提高了约 123%。。；导庸す讨性谧柿媳聿阋氩写胬αΧ晕偈倜胛倏沽κ怯欣，，，在裂纹萌生阶段，，，残存压应力的引入可能与理论应力集中导致的部门应力相互抵消，，，延缓裂纹萌生速度，，，进而提高总委顿寿命。。：：：紊俳 [18] 提出一个量纲一的变量

s=σ_f/σ

用于暗示残存应力的影响，，，若不思考资料塑性变形，，，外部载荷产生的应力与残存应力相叠加，，，此时思考残存应力的应力集中系数应为

式中，，，K_tσ 为思考残存应力的应力集中系数，，，K 为零应力状态下的应力集中系数，，，σ 为外部应力，，，σ_f 为理论残存应力。。。凭据 Basquin 能量准则推算裂纹萌生寿命的公式为

式中，，，β 为资料机能系数，，，将式 (5) 中修改后的应力集中系数代入 (7) 得到:

当资料理论存在残存压应力时，，，裂纹萌生寿命随残存压应力的增大而增大，，，轴向残存压应力与周向残存压应力的增多数可能提高零件的总委顿寿命。。。周向残存应力由 100MPa 增至 400MPa，，，委顿寿命提高了约 43%。。。现实加工中，，，表层资料精车后理论粗糙度通常为 0.8~1.6μm，，，滚压后理论粗糙度通常为 0.4~0.8μm。。。预测模型中随着理论粗糙度由 1.6μm 降低至 0.4μm，，，寿命提高了约 135%，，，与轴向残存压应力对寿命的影响水平相近。。。理论粗糙度与轴向残存应力对弯扭委顿寿命影响显著水平高于周向残存应力。。。因而在工艺优化中，，，应以理论粗糙度与轴向残存应力为重要优化指标，，，周向残存应力为次要优化指标。。。

2.2 委顿试样理论齐全性与寿命

分歧工艺加工的委顿试样理论粗糙值见图 9。。。

图 9 中与车削工艺相比，，，滚压试样理论粗糙度降低了约 64%。。。对分歧工艺下试样理论的三维描摹进行表征，，，见图 10。。。

图 10 中车削试样有显著的由车削产生的凸峰和凹谷，，，且散布较均匀，，，最高地位与最低地位的高度差约为 8μm。。。经超声滚压加工后，，，试样理论的车削痕迹显著减弱，，，理论粗糙度显著降低，，，理论相对平坦，，，最高地位与最低地位相差仅为 3μm。。。 分歧工艺加工的试样显微硬度 (见图 11)，，，车削试样表层显微硬度约为 380HV0.5，，，加工硬化水平 NH 约为 111.8%。。。显微硬度沿深度方向先增大后减小，，，在距理论约 150~200μm 的地位，，，显微硬度达到最大值，，，约为 400HV0.5。。。随深度增长显微硬度逐步减小最终趋于基体硬度，，，硬化层深度约为 0.7mm。。。滚压试样表层硬度较车削有显著提高，，，约为 400HV0.5。。。加工硬化水平 NH 约为 117.7%。。。

显微硬度沿层深的散布情况与车削试样类似，，，在据理论约 300μm 处硬度达到最大，，，约为 424HV0.5。。。硬化层深约为 0.9mm，，，较车削试样提高了 28.5%。。。 分歧工艺加工的试样理论残存应力 (见图 12)，，，超声滚压引入了更高的残存压应力，，，轴向与周向别离增约莫 46.5% 和 31.8%。。。切削表层残存应力的形成是塑性变形与切削热的共同作用，，，切削实现后表层金属降温回弹，，，受次表层金属故障产生残存拉应力，，，同时表层金属塑性拉伸变形受次表层未产生塑性变形层的故障而产生残存压应力。。。

在滚压加工中，，，滚压头对资料理论施加压力造成严重的塑性变形，，，使晶；、拉长、破碎的过程中位错缠绕，，，从而在表层引入较大的残存压应力 [19-20]。。。 为验证预测模型的正确性，，，使用车削 (T) 试样与滚压 (R) 试样在 F0 为 21~30kN 前提下进行委顿尝试，，，统计断裂寿命并与预测寿命进行对比，，，了局见图 13，，，该模型在 25% 的误差领域带内可能较正确地预测弯扭委顿寿命。。。

2.3 委顿断口描摹

图 14 为车削加工 TC11 试样委顿断口描摹，，，TC11 的弯扭委顿断口分为委顿裂纹萌生区 (①区)、裂纹扩大区 (②区) 和瞬时断裂区 (③区) 3 个区域。。。委顿断面状态均较为平展，，，裂纹萌生后以委顿源为中心呈放射状向资料内部扩大，，，是典型的由单一裂纹源产生的委顿粉碎。。。裂纹源的表层可观测到显著的突起，，，委顿裂纹形核初期张开的位移较小，，，随着裂纹向内部扩大与载荷持续施加进行反复开合，，，使得断口的两个界面不休进行挤压和摩擦，，，形成面积很小且比力光滑的摩擦区域。。。在裂纹扩大区存在扯破棱和一些短小的扯破缝迹，，，同时存在与裂纹扩大方向垂直的条带状结构，，，也称为委顿辉纹，，，车削试样裂纹扩大区委顿辉纹间距约为 0.8~0.9μm。。。

委顿辉纹是交变应力循环裂纹尖端塑性钝化形成的微观特点，，，辉纹间距反映了裂纹扩大速度，，，间距越大扩大速度越快。。。瞬断区描摹比力粗糙，，，有大量的扯破型韧窝存在，，，以及少量的扯破棱，，，瞬断区的断裂方式为脆韧混合断裂，，，穿晶断裂和沿晶断裂两种大局同时存在，，，重要大局是沿晶断裂。。。

图 15 为超声滚压加工 TC11 试样委顿断口描摹，，，由于滚压试样的委顿寿命较高，，，受载循环周次更长，，，断面之间的挤压与摩擦更为严重，，，在裂纹源区形成了面积更大的较光滑的摩擦区域。。。在裂纹扩大区，，，与车削试样相比，，，委顿辉纹间距大大减小，，，约为 0.3~0.4μm，，，同时存在着较多的扯破棱与次生裂纹，，，出现出更多的穿晶断裂特点。。。滚压试样表层拥有更高的残存压应力，，，在受载时可能抵消更多外载荷的作用，，，导致裂纹扩大速度减缓，，，在断口描摹方面阐发为更小的委顿辉纹间距。。。在瞬断分辨布着更多的扯破棱，，，韧窝数量与尺寸减小，，，滚压强化对资料的形变强化使得资料在受载过程中塑性变形能力提高，，，TC11 的委顿断裂大局仍为脆韧混合断裂。。。

3、结论

本文成立了 TC11 钛合金弯扭委顿寿命预测模型，，，钻研了理论粗糙度、理论轴向残存应力与理论周向残存应力对弯扭委顿寿命的影响法规。。。验证了预测模型的正确性，，，并分析了分歧工艺下试样的理论齐全性以及委顿断口描摹。。。得到结论如下：：：

理论粗糙度与轴向残存应力对弯扭委顿寿命影响显著，，，随着理论粗糙度 S2 由 1.6μm 降落至 0.4μm，，，寿命提高了 135%；轴向残存压应力由 100MPa 增至 400MPa，，，寿命提高了 123%；周向残存应力由 100MPa 增至 400MPa，，，委顿寿命提高了约 43%，，，周向残存应力对寿命的影响较小。。。

与车削相比，，，超声滚压试样理论粗糙度由 0.93μm 降低至 0.31μm，，，表层显微硬度由 380HV0.5 提高至 400HV0.5，，，硬化层深度提高了 28.5%，，，表层轴向与周向残存压应力别离提高了 46.5% 和 31.8%。。。SWT 模型可能在 25% 的误差领域带内较正确地预测 TC11 弯扭寿命。。。

在 TC11 的弯扭委顿过程中，，，与车削试样相比，，，滚压试样委顿裂纹萌生功夫耽搁，，，裂纹扩大区委顿辉纹间距由 0.8~0.9μm 降低至 0.3~0.4μm，，，扩大速度降低，，，在加工影响层出现出更多的穿晶断裂特点。。。

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