一种微动疲劳裂纹萌生位置判定方法

摘要

本发明涉及微动疲劳裂纹萌生预测方法的研究，具体涉及一种通过表面纹理参数判定微动疲劳裂纹萌生位置的方法。将加工完成的内圆孔试件置于光学显微镜的载物台上，待测内孔面与显微镜扫描光束的方向垂直；沿着内圆孔试件的内孔面与销轴的真实接触方位进行测量，获得内孔面的表面形貌轮廓图像；从测量所得的表面形貌图像上，相对于过内孔轴线的对称面，在每一侧对称地选取出覆盖率为75％～90％的矩形目标区域，并从所述目标区域内提取出各自的表面轮廓的幅值分布函数、表面偏度和表面峰度数值；通过比较目标区域内测量所得的偏度和峰度数值的正负和大小关系，并由此判定出微动疲劳裂纹的萌生位置所在的一侧。

说明书

技术领域

本发明涉及微动疲劳裂纹萌生预测方法的研究，具体涉及一种通过表面纹理参数判定微动疲劳裂纹萌生位置的方法。

背景技术

内圆孔特征广泛存在于各类机械零件、设备和产品中，如汽车发动机的曲轴和连杆的配合孔、活塞气缸，起重机的吊钩销轴安装孔，以及各类连接孔等。此类孔的加工表面质量和表面状态参数对整机的安全运行、可靠性和稳定性均起到至关重要的作用。在这类机械连接结构件，在振动等随机循环载荷作用下相互连接的构件之间易产生复杂的几十微米量级的微小相对运动，由此产生的微动损伤会导致疲劳裂纹过早成核，使得构件的疲劳寿命远低于无微动的常规疲劳，这是相互接触的零部件发生疲劳断裂失效的重要原因，严重降低构件的服役寿命和服役安全性。如何预测微动疲劳裂纹的萌生位置，并针对性地指导采取可靠的表面强化和防护措施，是面向构件功能和性能的制造(高性能制造)的重要课题。

专利SN108732035A公开了一种基于裂纹萌生的应变或位移突变的判断标准，以测定榫连接结构的微动疲劳寿命的方法，该方法需设计专用夹具，并使用高精度的应变或位移测量仪器设备，操作复杂，成本高昂；专利SN110348056A公开了一种基于连续介质损伤力学的微动疲劳寿命预测模型及其方法，该模型需建立复杂的基于非线性疲劳损伤累积模型，并引入临界平面能量密度参数，存在模型建立困难，计算过程复杂耗时等缺点。此外，上述专利中所建立的模型和预测方法都建立赫兹接触力学模型上，而实际工程构件中：①绝大多数接触均不满足赫兹接触条件；②微动疲劳裂纹均从接触表面的微凸体磨损损伤处开始萌生，而上述模型并未考虑承载微凸体的表面纹理带来的影响，从而导致上述专利文献揭示的方法的预测结果与实际存在较大差距的问题。

总之，上述文献中揭示的现有技术存在的不足有：①由于微动疲劳裂纹均从接触表面开始萌生，现有模型未考虑接触表面纹理参数对裂纹萌生的影响；②缺乏一种简便的基于表面纹理参数的判定微动疲劳裂纹萌生位置的方法；③未针对不满足赫兹接触条件的构件建立有效的裂纹萌生位置的预测方法。因此，针对现有微动疲劳裂纹萌生预测方法的研究手段尚存在的不足，需要进一步改进和完善。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提出一种通过表面纹理参数判定微动疲劳裂纹萌生位置的方法，从特定测量方位测量出已加工表面的偏度和峰度纹理参数值，通过比较已加工表面上不同位置区域测量所得的偏度和峰度数值的正负和大小关系，即可判定出构件在服役过程中微动疲劳裂纹的萌生位置。

为解决以上技术问题，本发明采用如下的技术方案：

①对加工后内圆孔试件进行特征划分并构建内圆孔试件的试件坐标系O-X

②建立显微镜坐标系O

③根据步骤②中表面形貌轮廓的分布，在对称面两侧分别选取第一目标区域和第二目标区域，从所述第一目标区域和第二目标区域内提取出各自的表面轮廓的幅值分布函数APD

④定义表面偏度和表面峰度数值的比较集合，如式(一)：

N

式(一)中，N

⑤实施微动疲劳裂纹萌生位置侧判定，与表面纹理参数对应的微动疲劳裂纹萌生位置按照下式(二)判断，裂纹萌生于偏度和峰度数值更大的一侧：

式(二)中，L为表征微动疲劳裂纹萌生位置的标记符号，x

所述步骤①中内圆孔试件为一个具有相同厚度，外围轮廓面呈对称八边形，且沿其厚度的OZ

所述步骤②为：

201.将试样以测量放置平面为摆放面，将试样置于白光干涉仪或激光共聚焦等光学显微镜的载物台上；

202.基于试样坐标系O-X

203.沿着内圆孔试件的内孔面与销轴的真实接触方位进行测量，使显微镜扫描路径垂直于内孔轴线，测量出试样的待测内孔面的表面形貌轮廓图像。

所述步骤③中第一目标区域和第二目标区域为矩形，所述第一目标区域和第二目标区域的形貌区域覆盖率范围为75％～90％。

进一步地，在进行测量前，所有试件需先放入超声清洗设备中进行清洗，去除表面的残留油质、颗粒物和灰尘等。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：目前现有技术中并没有直接、简洁的方式确定微动疲劳裂纹萌生位置的方法，本发明申请将试件特征区域的表面纹理参数与微动疲劳裂纹萌生位置进行综合分析，通过表面偏度和峰度等纹理参数，直接建立起萌生于表面的微动疲劳裂纹的萌生位置与表面纹理参数之间的依赖关系，由此可针对性地指导进行表面强化和防护工艺设计，以获得具有最佳抗微动疲劳性能的表面纹理特征；采用光学显微镜测量构件已加工表面的幅值分布函数、表面偏度和表面峰度数值，通过比较不同位置区域测量所得的偏度和峰度数值的正负和大小关系，即可判定微动疲劳裂纹的萌生位置，避免了复杂建模预测裂纹萌生位置存在的困难；采用沿着试件内孔面与销轴的真实接触方位，以及显微镜镜头的扫描路径垂直于内孔轴线方向的方法进行表面轮廓测量，能反映测量所得的表面轮廓、偏度和峰度数值与构件实际接触时的表面状态一致；通过在每一侧对称地选取出覆盖率为75％～90％的目标区域，并从该目标区域内提取出各自的表面轮廓的幅值分布函数、表面偏度和表面峰度数值，既较大程度的覆盖了整个表面的形貌信息，又消除了外围边界区域可能存在的加工缺陷和无法测量的曲面区域造成的干扰影响。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为销轴与内圆孔试件的接触示意图；

图2为本发明之表面形貌测量方法示意图；

图3为本发明之提取表面轮廓幅值分布函数、表面偏度和表面峰度数值的目标区域选取示意图；

图4为本发明之方法的流程图；

图5为本发明之实施例中提取表面轮廓幅值分布函数、表面偏度和表面峰度数值的目标区域选取示意图；

图6为本发明之实施例中表面轮廓幅值分布函数、表面偏度和表面峰度数值结果对比图；

图7为本发明之实施例中微动疲劳裂纹扩展路径；

在图中：1内圆孔试件、101试样、102内孔面、102a第一目标区域、102b第二目标区域、103内孔轴线、104对称面、105测量放置平面、2销轴、3显微镜坐标系、301显微镜扫描镜头、302显微镜扫描光束、303显微镜扫描路径、4试件坐标系、5试样坐标系、6疲劳载荷。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

①对内圆孔试件1进行特征划分

所述内圆孔试件1为一个具有相同厚度，外围轮廓面呈对称八边形，且沿其厚度方向上，在对称中心位置设有一个圆柱形通孔的板状结构件；构建内圆孔试件1的试件坐标系4，过圆柱形通孔的轴线，将内圆孔试件1沿其两个互相垂直的对称面X

②测量内孔面的表面形貌轮廓

建立光学显微镜坐标系3，并测量试样101的表面形貌轮廓；将试样101以测量放置平面105为摆放面，将试样101置于白光干涉仪或激光共聚焦等光学显微镜的载物台上；基于试样坐标系5调整试样101，使待测内孔面102的内孔轴线103平行于显微镜坐标系3的X

③目标区域选取

从测量所得的表面形貌图像上，相对于过内孔轴线103的对称面104，在每一侧对称地选取出覆盖率为75％～90％的矩形作为第一目标区域102a和第二目标区域102b，既能较大程度的覆盖整个待测内孔面的形貌信息，又消除了试样外围边界区域可能存在的加工缺陷和无法测量的曲面区域造成的干扰影响；从所述目标区域102a和102b内提取出各自的表面轮廓的幅值分布函数APD

④定义表面偏度和表面峰度数值的比较集合，如式(一)：

N

式(一)中，N

⑤判定微动疲劳裂纹萌生位置

按照式(一)比较第一目标区域102a和第二目标区域102b内测量所得的偏度和峰度数值的大小关系，则，与表面纹理参数对应的微动疲劳裂纹萌生位置按照下式(二)判断，裂纹萌生于偏度和峰度数值更大的一侧。

式(二)中，L为表征微动疲劳裂纹萌生位置的标记符号，x

在进行测量前，所有从试件1上切割下的试样101需先放入超声清洗设备中进行清洗，去除表面的残留油质、颗粒物和灰尘等。

通过表面偏度和峰度等纹理参数，直接建立起萌生于表面的微动疲劳裂纹的萌生位置与表面纹理参数之间的依赖关系，由此可针对性地指导进行表面强化和防护处理工艺设计，以获得具有最佳抗微动疲劳性能的表面纹理特征。

具体实施例：

以圆孔直径为

表1不同试件的圆孔面的偏度值和峰度值

将数值代入式(一)和式(二)对比发现，在内孔面102的测量目标区域102a和102b内，左侧的偏度值和峰度值均大于右侧的偏度值和峰度值，故而可判断出微动疲劳裂纹均萌生于左侧。将之与在疲劳载荷6作用下的微动疲劳试验所得的裂纹扩展路径(附图7)相联系后发现，试验所得结果与预测结果一致，即微动疲劳裂纹总是萌生于偏度值和峰度值较大的一侧，并最终扩展后导致试件发生疲劳断裂失效。

以上所述实施方式仅为本发明的优选实施例，而并非本发明可行实施的穷举。对于本领域一般技术人员而言，在不背离本发明原理和精神的前提下对其所作出的任何显而易见的改动，都应当被认为包含在本发明的权利要求保护范围之内。