高强度钢内螺纹挤压强化对疲劳性能的影响研究

内螺纹冷挤压成形是在工件预制底孔上通过挤压丝锥棱齿的作用使金属塑性流动而形成螺纹牙形的过程。由于棱齿的多次反复挤压，在螺纹表层形成强化层，这一层金属与基体材料相比将产生三种变化：（1）在材料的组织结构上，晶粒细化、位错密度增高、晶格畸变增大、纤维化程度很高；（2）在强化层中形成较高的宏观残余应力；（3）螺纹表面粗糙度低。第一种变化提高了材料的屈服强度，必将提高材料的疲劳强度^［1］。表面粗糙度的降低可以减少表面缺陷，即减少应力集中，这对提高疲劳强度有利。残余压应力可以有效地降低裂纹的扩展速率和零件对缺口的敏感性^［2］。

1　试验方法与条件

　　试验材料为300M高强度钢,疲劳试件为圆筒，其外径为28mm,长度为30mm，内螺纹为M24×1.5mm。螺纹的加工工艺有两种：（1）切削攻丝→等温热处理；（2）挤压→等温热处理→二次挤压强化，挤压工具为特制的六棱挤压丝锥。300M钢等温热处理后硬度高达HRC50。

　　疲劳对比试验在MTS±25吨材料试验机上进行，加载方式为轴向恒幅正弦波，频率为8Hz，应力比为0.1，在室温空气中试验，置信度为95%。

　　常规机械测试法，一次切割只能获得一个数据，然后用弹性力学求出残余应力，因而只能测出残余应力分布比较简单的情况。由于待测零件部位是螺纹牙根这一微小区域，所以，其它物理法也不宜采用。为此，本文提出采用高精度密栅云纹干涉法测定冷挤压螺纹牙根微区的残余应力分布，即采用线切割释放欲测部位的残余应力，再利用高灵敏度的干涉云纹法，测量应力释放引起的变形，最后结合弹性理论，可以获得残余应力分布。

2　试验结果

　　当在某一应力水平下，每组试件的疲劳寿命大部分在10⁶循环以内时，根据实践经验，可以假设对数疲劳寿命遵循正态分布。这样就可以对成组对比试验进行t检验，给出具有统计的对比结果^［3］。

　　300M钢内螺纹的疲劳对比试验在两个应力水平下进行，试验结果见下表^［4］。

　　从下表中可以看出，在同一应力水平下，挤压螺纹的疲劳寿命与切削螺纹的疲劳寿命有显著差异，并且前者总是高于后者。这一结果表明，对螺纹表面进行挤压可以显著地改善螺纹的疲劳性能。此外，挤压增寿效果随外加载荷的变化而有所不同，当应力水平较低时，挤压螺纹的增寿效果更加明显。

表 　疲劳对比试验结果（α=5%，γ′=95%）

Table  　Results of fatigue tests（α=5%，γ′=95%）

　注：表中1为切削→热，表示切削攻丝后再进行最终热处理；2为挤→热→挤，表示最终热处理前后各进行一次挤压。

x为子样平均值，S为标准差，N₅₀为母体的中值疲劳寿命。

　　图1给出了300M钢的切削螺纹试件和挤压螺纹试件的宏观疲劳断口。从图1a中，可以发现，切削螺纹试件的断口上出现由多个疲劳源扩展而形成的许多台阶，这是低周疲劳宏观断口的特征之一。这主要是因为在切削螺纹牙根部的应力集中区萌生裂纹时，往往出现多个疲劳源，多个疲劳源又不处于同一平面，扩展的结果，各疲劳源之间被分割出许多台阶。而在挤压螺纹的宏观断口上很少观察到明显的疲劳源区(图1b）。

（a）切削螺纹;（b）挤压螺纹

图 1　疲劳源区的宏观断口

(a) cut thread;(b) formed thread

Fig.1 Fracture section of fatigue source

　　从图2断口照片看，挤压螺纹断口上没有明显的疲劳条纹，而是呈现“波纹”花样特征，这是因位向不同的晶粒之间的相互约束和牵制，不可能仅沿一个滑移面滑移，而是沿着许多相互交叉的滑移面滑移、经多次变形后形成的。

图2　疲劳断口的SEM照片

Fig.2　SEM photograph of fatigue fracture

　　图3为云纹干涉法获得的附加位移条纹图。利用这个条纹图可以求出相应的径向残余应力γ分布曲线，如图4所示。

　　由图4可知，螺纹根部的宏观残余压应力高达240MPa，向里层残余应力值将逐渐减小，约在2.2mm处，残余应力降为零。再向里测量，出现拉应力，最大值约为55MPa。只有残余压应力，才能起到强化作用。

3　讨论

3.1　挤压螺纹表面形变强化层中组织结构与加工硬化的影响

　　金属材料的疲劳性能与屈服强度在一定范围内为线性关系，即屈服强度高的材料，产生塑性滑移变形困难，故其疲劳强度也高。而屈服强度的高低或者塑性滑移变形的难易，取决于材料的组织结构。因此，材料的组织结构是影响疲劳性能的重要因素之一。由于疲劳破坏主要是由表面裂纹经扩展而造成表面剥落或断裂，其次，材料内部缺陷也可能成为裂纹源。所以，提高材料的疲劳性能的关键在于改善材料的表面性能，即改善其表面的组织结构。

图3　残余应力释放后的位移条纹图

Fig.3　Displacement fringe pattern after residual stress released

图4　螺纹根部残余应力分布曲线

Fig.4 Distribution of residual stress at the root of thread

　　对于螺纹零件来说，其破坏形式主要有二种，一种破坏发生在螺纹收尾处，这可以通过改变收尾形式加以消除；另一种破坏是由于切削螺纹根部有较大的应力集中，易产生疲劳裂纹而造成的。这就需要改变螺纹加工工艺，外螺纹可以采用滚压法来加工；而内螺纹则可以采用挤压法来加工。其目的主要是强化螺纹牙根部，其次是强化牙侧表面。当挤压丝锥棱齿挤压金属时，金属产生了塑性变形，伴随塑性变形过程晶体发生滑移，导致晶粒、亚晶粒变长，同时亚晶粒内位错密度增加；当挤压过程结束后，经棱齿反复挤压后的材料，其晶粒已纤维化。如图5所示。

　　金属材料的晶粒或亚晶粒的细化，均可提高材料的屈服强度。因此，挤压强化能显著地改善材料的疲劳性能，挤压螺纹的寿命必将高于切削螺纹。以上是针对退火状态的材料分析了表面强化层的组织结构变化。对于挤压后需要热处理的材料，如300M高强度钢，当加热温度达到再结晶温度时，强化层内的形变金属发生再结晶，晶粒和亚晶粒尺寸逐渐增大，位错密度逐渐降低，微观和宏观应力也随之松弛，即挤压强化的效果将丧失。因此，对高强度钢等需要最终淬火热处理的材料，在热处理之后，必须对挤压螺纹进行最终挤压强化，以达到通过形成表面强化层来改善挤压螺纹的疲劳性能之目的。

图5　挤压螺纹牙根表层显微结构

Fig.5 Microstructure of surface layer of formed thread

　　螺纹表面层组织结构的变化，将使挤压螺纹牙形表面硬度有所改变。经测试，牙根表面硬度HV为760，而基体为500，其中牙根硬化程度高达52%。众所周知，一般切削螺纹的破坏多发生在螺纹的牙根部，因此，从强化螺纹强度最有利的角度来考虑，应该首先强化牙根部，而挤压螺纹正好能满足这一要求。从材料的硬度与屈服强度、疲劳强度的关系可知^［1］，材料的硬度的提高，将提高其疲劳强度。

3.2　残余应力对挤压螺纹增寿的影响

　　在挤压螺纹牙根表面层引入残余压应力是提高疲劳性能的一个重要途径，在疲劳过程中，残余应力起到降低平均应力的作用。在拉伸循环载荷作用下，残余压应力与外加应力迭加的结果，降低了螺纹牙根处应力集中区的最大应力，这相当于提高了材料的弹性工作范围，并改变了循环载荷的应力比。当存在裂纹时，起到降低裂纹尖端附近应力场强度的作用。因此，残余压应力的存在，不但能抑制或推迟疲劳裂纹的萌生，而且还能减缓裂纹的扩展速率。这些因素的存在，将使挤压螺纹的疲劳寿命增加。

3.3　表面粗糙度的影响

　　表面粗糙度越低，缺口效应越小，疲劳强度也就越高。材料的疲劳强度随着表面粗糙度的降低而增高。在任何情况下，降低零件的表面粗糙度总是有利于疲劳性能的改善，但是也应该看到，依靠改变表面粗糙度来改善疲劳性能的潜力是有限的，特别是当表面粗糙度降低到Ra0.4μm以后，再继续降低表面粗糙度一方面对疲劳强度的提高作用不明显，对高强度钢也是如此，另一方面，一味地降低表面粗糙度需要付出更高的代价，造成加工成本增加^［4］。

4　结论

　　试验结果表明，高强度钢内螺纹经挤压强化后疲劳性能与未经挤压的切削螺纹相比有了显著提高。高强度钢挤压螺纹的强化与增寿主要归因于螺纹表层沿牙形连续分布的纤维组织、残余压应力和较低的表面粗糙度。