说说高压疲劳

米兰的小铁匠

  循环压力下的高压疲劳，不同于旋转弯曲疲劳，材料厂家是没有疲劳寿命数据的。只能是根据具体应用做高压疲劳实验，验证材料和工艺的边界。

  这里涉及到应用，选材和工艺。
  
  应用上，比如在一个阀块里面走高压流体，多大尺寸的油路，走什么样的脉冲压力，这些都是应用端给定的。设计上能做的是调整孔的布置，比如有交叉孔，需要优化相交角度和交叉处的形态，有些形状需要特殊加工工艺，如电化学。内壁的划痕，台阶，锈点，或者交叉孔锐边都会引起应力集中。核心是优化内壁形态和表面质量，尽可能降低应力集中区域的应力值。
有了内壁形态和工作压力脉冲值，有限元能评估局部区域的最大应力和振幅。然后选材料和工艺。
材料选择从铸铁，碳钢，合金钢到超洁净合金钢，具体看应用需求。对于高压高寿命场合，需要用超洁净钢了。
  材料的洁净度支撑起疲劳寿命。洁净度体现在夹杂的数量，大小，这里可以借鉴轴承材料，很多钢厂针对滚动轴承开发了各自的洁净钢，比如Ovako，根据洁净等级有自己的内部排号。洁净，一方面要降低硫，氧含量，从而减少硫化物，氧化物，另一方面是在轧制，锻造阶段把大颗粒打碎成小颗粒。当有颗粒出现在内壁上，在高压脉冲下就可能引起疲劳裂纹。具体的应力集中系数，根据颗粒形状和跟内壁的交界形态有对应的算式。夹杂可粗分为软夹杂和硬夹杂。硫化锰是典型的软夹杂，它的热胀系数高于周边基体，淬火冷却后周围容易形成空隙，当裸露在内壁或通过微裂纹连通内壁时，就会直面流体压力。硫亲锰，熔点高，在奥氏体温度下硫化锰就成形，细长状，沿轧制方向分布，周边作为铁素体成核核心，容易形成偏析带。细长的硫化锰造成局部各向不同性，主应力沿着和贯穿硫化锰方向对材料的损伤不同，因此在流道布置上要注意晶粒流线方向。另一类是硬夹杂，尺寸一般相对规整，长径比大概是1，但热胀系数低，淬火冷却后，尤其是深冷后，受周边晶格挤压容易形成微裂纹。

  工艺一般有热处理，电化学，内壁打压强化。热处理跟选材相关，合金钢一般是淬火，分段加热控制变形，降温后再加热细化晶粒，真空淬火没有晶间氧化问题，但容易吃掉锰，铬等合金元素，形成'鳄鱼皮'状表面。如果是渗碳需要控制内孔的乙炔浓度，细长孔的硬化层深不好控制。最终做多炉摸索工艺，9点取样，切开测层深，组织，晶粒，残奥，测残奥国内有国际认证的实验室不多。电化学工艺可以优化锐边形态，也能优化热处理表面的'鳄鱼皮'褶皱，通过精确控制放电参数还可以烧出一些特定的形状，比如喇叭口，椭圆孔，减小应力集中。对于不热处理的材料，可以采用内壁强化工艺，内壁打超高压油，使内层材料塑性变形，外层弹性变形箍紧内壁，产生压应力。这个残余压应力会中和掉内壁应力集中区域的应力峰值和均值，从而提高疲劳强度。这个超高压大小，保压多少秒，如何密封，需要一整套的计算和试验。

  最终是实验验证，相同应用，不同的材料和工艺组合，做对比实验，做到失效，计算各组合的寿命和可靠性。这里面有无限寿命和有限寿命之分。如果不在乎成本，可以选好的材料和工艺，疲劳极限远高于应用边界，后期万一应用端压力提升了，还有安全余量。另一种有限寿命，就是抠成本，寿命刚刚好就行。比如，1500公斤压力脉冲，不算高，油路有交叉，但要用球墨铸铁，材料疲劳极限低于应用边界，评估寿命能到多少。这就需要更复杂的寿命计算模型和试验了，需要疲劳累积计算，古德曼曲线，3参数威布尔分布这些。

零件工程师

大侠早上好，

淬火后形成的微裂纹，是否有具体的限制要求？

我用过的做法是：切片，酒精或者丙酮清洗表面，24小时酸蚀后，100倍目镜观察，每1厘米不得超过400道裂纹交叉。

这种要求对应的表面粗糙度是Ra 0.1μm，Rz 0.8μm。

淬火时因为脱碳层的影响，不能或者不完全发生马氏体转变，此时的脱碳层深会影响材料的疲劳强度，加工时需剃干净，500倍目镜下可以看到总脱碳层的分布。

晶粒度对疲劳的影响，按理说越细越好，本质上就是晶界面积越大越好，但是有些情况，比如高温，需要适中，这块需要试验参数支撑。对于硅钢片这种，反而是越大越好，越大磁损越小，效率高。具体的等级划分，参照EN103或者ASTM E112。

对于材料我是外行，关于细长孔的硬化层深控制，想听您侃一段。

谢谢！

2266998

你理解几个东西，就完整了，

1.    这是一种循环拉伸，接近屈服强度的，于是，疲劳寿命不会很高，

2，你理解层与梯度的问题，就是层间限制与反限制，

3，计算的时候，你想象许多层牛皮纸的纸筒儿，你建立联立解，逐层解，由里到外，再迭代回去，最终得到平衡解，平衡解，就是里外都‘允许’，第一遍计算，可能外层不行，第二遍，可能内层不行，我计算这些，外层无解就只能碳纤维了，