表面滚压工艺对300M钢螺纹根部疲劳行为及表面完整性的影响机制研究

为解决航空航天关键螺栓连接件疲劳失效问题，研究人员通过表面滚压工艺(SRP)对300M钢螺纹根部进行强化处理，系统研究了不同滚压力对表面几何状态、梯度纳米结构层、残余压应力(CRS)场等表面完整性参数的影响机制。结果表明SRP-2参数组(280N滚压力)实现了最优表面完整性协同效应，使疲劳寿命提升76.4%，揭示了CRS场在疲劳增强中的主导作用，为航空紧固件抗疲劳制造提供了关键技术支撑。

　　

在航空航天领域，螺栓连接犹如飞行器的"生命线"，而其中超过32%的失效事故源于螺纹根部的疲劳断裂。300M钢作为制造关键螺栓的主流材料，虽经热处理后具备1914MPa的超高强度，却因螺纹加工导致的金属流线切断和表面缺陷，使其对应力集中异常敏感。传统车削工艺形成的楔形沟槽表面粗糙度达Sa 0.362μm，成为裂纹萌生的温床。尽管表面强化技术如喷丸、激光冲击等能改善疲劳性能，但表面滚压工艺(SRP)因其兼具低表面粗糙度和显著强化效果的优势，正成为解决这一工程难题的新希望。

研究团队通过自主研发的SRP设备，采用180N(SRP-1)、280N(SRP-2)和380N(SRP-3)三组滚压力处理300M钢螺纹根部，结合三维表面形貌分析、电子背散射衍射(EBSD)、透射电镜(TEM)和X射线残余应力测试等技术，系统表征了表面完整性参数，并通过阶梯式加载疲劳试验验证了疲劳性能提升效果。

【表面几何状态】

SRP处理显著改善了螺纹根部的表面形貌，SRP-1组获得最低表面粗糙度(Sa 0.11μm)，应力集中系数K_t较基体降低30.1%。但随着滚压力增大，SRP-3组因过度变形出现表面凹坑，粗糙度回升至Sa 0.215μm。表面轮廓曲线显示，SRP-2组的谷底曲率半径(44.14μm)显著优于基体(11.07μm)，有效缓解了应力集中效应。

【梯度纳米结构】

EBSD分析揭示了典型的梯度变形层结构，SRP-3组获得最深23μm的变形层。TEM观测显示，SRP-2组表面形成100-200nm的拉长超细晶粒，而SRP-3组产生30-80nm的等轴纳米晶，但伴随微裂纹缺陷。高分辨电镜(HRTEM)证实晶界通过捕获位错形成大角度晶界，位错滑移和机械孪生协同作用实现了晶粒细化。

【残余应力与硬度】

SRP-2组获得最大残余压应力(-324.2MPa)和250μm的作用深度，而SRP-3组因表面损伤导致应力松弛。硬度分布显示，SRP-3组表面硬度达534.1HV，但硬化层深度(230μm)与SRP-2组相当，表明过度滚压虽提高表面硬度，但未能进一步扩展强化深度。

【疲劳行为机制】

疲劳测试表明SRP-2组实现最高10.19×10⁵次循环寿命。断口分析显示：基体样品因多裂纹源导致快速断裂；SRP-2组形成109μm深的纤维状层区，疲劳条带间距仅0.78μm；而SRP-3组尽管具备纳米晶层，但表面缺陷导致裂纹优先形核。EBSD原位观测发现，梯度晶粒使裂纹路径偏转20-30°，但SRP-3组的纳米晶反为裂纹扩展提供了快速通道。

研究结论深刻揭示了表面完整性参数的竞争机制：适度的280N滚压力使SRP-2组获得表面粗糙度(Sa 0.153μm)、CRS场(-324.2MPa)和梯度纳米结构的黄金组合，其中CRS场通过抵消疲劳拉应力发挥关键作用；而过量滚压虽提高硬度，却因表面损伤和应力松弛削弱强化效果。该研究为航空螺栓的"表面完整性设计"提供了理论依据，指明在保证表面质量前提下，通过优化滚压力获取最佳CRS场是提升螺纹件疲劳抗力的核心策略。

这项发表于《Journal of Materials Research and Technology》的研究，不仅解决了300M钢螺纹根部疲劳性能提升的工程技术难题，更通过多参数耦合分析，建立了表面完整性参数与疲劳行为的定量关系，为其他高强紧固件的抗疲劳制造提供了普适性方法。未来研究可进一步探索SRP处理后表面完整性参数在疲劳载荷下的演化规律，以完善全寿命周期性能预测模型。