nCode材料设置：表面处理全攻略

原文在语雀文档，发到知乎有很多格式问题，推荐看原文，原文链接附在文档最后，本篇主要是自己在学习的过程中的总结，希望搞懂nCode中的表面粗糙度设置的可以参考。推荐去看原始资料。

1 理论基础

以下理论内容来源于赵少汴老师的《抗疲劳设计手册》 ，如想详细学习建议看书。

1.1 影响机理 制备工艺对疲劳强度有很大影响，如下图，试样表面上即使出现细微的伤痕也会使钢的疲劳极限显著下降。

各种钢的疲劳性能受表面缺陷的影响不同。钢越强，缺陷使疲劳极限降低越大。不能简单地把表面粗糙度看作应力集中来解释粗糙加工表面疲劳强度的降低，问题要复杂得多。许多试验证明，除了几何因素之外，金属切削还使得工件表面层的性能有重大改变。 切削加工对金属的作用是复杂的。
切削过程中，在表面层上至少可以观察到３种现象，这些现象综合起来至少形成８个因素影响金属的疲劳强度。这些现象为：表面层的塑性变形、表面层温度的提高、表面层的表面粗糙度
a 表面层的塑性变形 表面层的塑性变形通过以下３个因素影响疲劳强度：
１）Ａ１———加工硬化程度。
２）Ｂ１———加工硬化层 的厚度。
３）Ｃ１———残余应力 的大小。
许多研究结果表明，疲劳强度随加工硬化程度的增加而提高。当加工硬化层的厚度没有超过循环应力所引起的弹塑性变形区的厚度时，增加加工硬化层的厚度必然会提高弯曲疲劳极限和扭转疲劳极限，但在超过弹塑性变形区的厚度以后，硬化层厚度的进一步增加就不再对疲劳强度有影响。 表面加工硬化所引起的残余应力，在表面为压应力，在试样中部为拉应力。表面上有残余压应力，可提高弯曲疲劳强度和应力集中试样的拉伸疲劳强度。但由于试样中部有残余拉应力，将降低光滑试样的拉伸疲劳强度。
b 表面层温度 加工时表面层温度提高，它通过以下３种因素影响疲劳强度：
１）Ａ２———软化程度。
２）Ｂ２———时效程度。
３）Ｃ２———残余应力大小。
由于表面层温度过高而引起的残余应力，在试样表面为拉应力，在试样中部为压应力。这种残余应力使原为对称循环的情况变为具有拉伸平均应力的非对称循环，这当然使其拉压、弯曲及扭转疲劳强度均有所降低。 表面硬化层在中温下发生时效，它使疲劳强度提高。但温度过高反而使表面硬化层软化，从而使疲劳强度降低。
c 加工表面的表面粗糙度 加工后表面上的凹凸不平使疲劳强度降低，表面越粗糙降低幅度越大。它取决于两个因素：
１）Ａ３———切削刀痕的深度。
２）Ｂ３———切削刀痕的锐度。
综上所述，可见切削加工引起多种因素，这些因素有的提高疲劳强度，有的降低疲劳强度。各种因素对疲劳强度的影响如表所示。

1.2 切削用量的影响 根据Кравченко（克拉甫琴柯）等人的研究，可以认为：增加切削速度使工件的冷作硬化层厚度减小，而增大进给量和切削深度则使厚度增大。它们对应变硬化程度Ａ１及残余应力大小Ｃ１的影响趋势也大致相同。 关于表面层温度的增加与切削用量之间的关系，Одинг曾得出很有意义的试验数据，即增大切削速度与进给量，使工件表面温度降低，而增大切削深度则提高表面温度。由这些结果可以得出结论：增加切削速度及进给量使工件表面温度降低，而增加切削深度则提高表面温度。因而增加切削速度和进给量将减小残余应力的数值、时效程度及软化程度，而增加切削深度则使它们增加。最后，表面粗糙度将因切削速度的增加而改善，因切削深度和进给量的增加而增大。 总结以上分析，切削用量与影响疲劳强度的各因素之间的关系可归纳为下表。由此表可以看出，试样的制备工艺对疲劳强度影响很大。而许多人考虑此问题时，往往只考虑表面粗糙度的影响。而从上面的分析可知，切削加工工序不但改变工件的尺寸形状，也同时改变着工件性能。因此，在制订工件的加工工艺时，也需要考虑材质方面的要求。

1.3 表面加工系数线图 在抗疲劳设计中，零件的表面状况和环境介质对疲劳强度的影响用表面系数β表示。表面系数又分为表面加工系数β１、腐蚀系数β２和表面强化系数β３。 具有某种加工表面的标准光滑试样与磨光（国外为抛光） 的标准光滑试样疲劳极限之比称为表面加工系数，即

式中　 $σ_{－1Ｓ}$σ_{－1Ｓ} ———具有某种加工表面的标准光滑试样的疲劳极限（ＭＰａ）
$σ_{－1}$σ_{－1} ———磨光的标准光滑试样的疲劳极限（ＭＰａ）。 由于加工方法对疲劳强度的影响是三种因素共同作用的结果，这些因素难以分割开来，因此，只能对各种因素的影响进行定性分析，而很难定量计算或测定各种因素的单独影响。在抗疲劳设计中解决工程问题时，一般都是使用通过试验得出的表面加工系数曲线图。 ８种材料５种不同终加工方法试样疲劳极限的均值和标准差列于表。表面加工系数与σｂ近似呈线性关系。

下图所示为一种国外文献上给出的表面加工系数曲线图。

切应力下的表面加工系数 $β_{１τ}$β_{１τ}
用下式计算：
$β_{１τ}＝0.575β_{１}＋0.425$β_{１τ}＝0.575β_{１}＋0.425 铸造表面的表面加工系数β１可取为β１＝0.7 抛光试样在各种寿命下的表面加工系数基本上不随σｂ和σｓ／σｂ变化，推荐值为1.02。
1.3 表面加工对疲劳缺口系数的影响 表面加工对缺口试样的影响比对光滑试样的影响小，从而使粗糙表面的疲劳缺口系数降低。 非机加工表面（如锻造、轧制、铸造）的疲劳缺口系数仍为Ｋf

2 nCode DesignLife Theory

以下内容来自nCode的帮助文档

2.1 Surface Finish and Surface Treatment Settings(4.22) 2.1 表面光洁度和表面处理设置
Surface finish and treatment can have a significant effect on fatigue behavior.Rough surface finishes, e.g., due to machining marks, will in general reduce the fatigue strength, whereas surface treatments are often applied to increase the fatigue strength. 表面光洁度和处理对疲劳行为有显著影响。粗糙的表面处理，例如，由于机加工痕迹，一般会降低疲劳强度，而表面处理通常用于增加疲劳强度。 In nCodeDT, surface finish and treatment effects are modeled in the S-N and E-Nengines by means of a single Surface Factor Ksur . 在nCode中，表面光洁度和处理效果在S-N和E-N计算引擎中都通过单一的表面因子Ksur进行设置。 The application is slightly differentfor the S-N and E-N methods, but the basic principal is the same—the surface factor is applied to the fatigue strength of the material in the high cycle (long-life) regime, but the effect reduces in the low cycle (short-life) regime. 对于S-N法 和E-N法 应用程序略有不同，但其基本原理是相同的，即表面因子适用于材料高周疲劳强度(长寿命)，但在低周期(短寿命)时效果降低。 Ksur is the product of three factors, which can be defined via the material map. Each of these has default value 1. Ksur是三个因素的乘积，可以通过材质图来定义。每一个默认值都是1。 Ksur = (KTreatment) x (KUser) x (KRoughness)
KTreatment A factor used to adjust the fatigue strength to take into account surface treatment. A factor > 1 will result in an improvement in fatigue strength. 用于调整疲劳强度以考虑表面处理的因素。因子> 1将导致疲劳强度的提高。 KUser A factor used to adjust the fatigue strength for any unspecified reason. A factor >1 will result in an improvement in fatigue strength. 用于调整任何未指明原因的疲劳强度的因素。因子>1将导致疲劳强度的提高。 KRoughness KRoughness can be defined in three different ways, depending on the setting of the Surface Roughness Type . KRoughness可以以三种不同的方式定义，这取决于表面的设置粗糙度类型。（见下图 Material Group Parameters dialog） The roughness factor normally provides an indication of the fatigue strength relativeto a polished surface condition, but in practice it is relative to whatever the surface condition of the material was on the specimens used to derive the materialproperties. 粗糙度因子默认设置为表面抛光，但在实践中，需要针对获得材料性能的试样上的材料的表面条件进行设置。 The three methods for creating a surface roughness factor (KRoughness) are: 设置表面粗糙度因子(KRoughness)的三种方法是

• Enter Roughness Factor

If Surface Roughness Type = Enter Roughness Factor, the Surface Roughness Factor KRoughness (KR) may be set directly, e.g., based on the user’s experience, or on experimental evidence. 如果“Surface Roughness Type = Enter Roughness Factor”，则输入表面粗糙度因子KRoughness (KR)可以直接设置，例如，基于用户的经验或实验证据。

• Enter Surface Roughness

If Surface Roughness Type = Enter Surface Roughness, the user should enter a value for the Surface Roughness Rz in $\mu m$\mu m . This is the average surface roughness according the German standard DIN 4768. The Surface Roughness Factor KR will then be calculated, based on the strength and type of material (for example, stronger materials are in general more sensitive to surface finish, and cast materials less so). The method for calculating KR is based on the FKM Guideline “Analytical strength assessment of components in mechanical engineering”. 如果“Surface Roughness Type = Enter Surface Roughness”，则用户需要在
$\mu m$\mu m 中输入“Surface Roughness Rz”的值。这是根据德国标准DIN 4768 平均表面粗糙度。然后根据材料的强度和类型计算表面粗糙度系数KR(例如，更强的材料一般对表面光洁度更敏感，铸造材料则不那么敏感)。KR的计算方法基于FKM指南《机械工程中零件的分析强度评估》。 If $R_{z} ≤ 1 \mu m，K_{R} = 1$ R_{z} ≤ 1 \mu m，K_{R} = 1
Otherwise:
$K_{R} = 1-a_{R}.log(R_{Z}).log(2R_{m}/R_{m,N,min})$K_{R} = 1-a_{R}.log(R_{Z}).log(2R_{m}/R_{m,N,min}) Rm is the UTS in MPa Rm 是极限抗拉强度，单位是MPa Rm,N,min and aR are constants. Rm,N,min和 aR 是常数 Values of the constants are a function of the type of material and the UTS. They are defined in the following table. In order for the calculation to work in nCodeDT, the nCode material type number must be defined in the material data set, and must be one of the type numbers specified in the table. 常数的值是材料类型和UTS的函数。下表中定义了它们。为了在nCodeDT中进行计算，nCode材料类型号必须在材料数据集中定义，并且必须是表中指定的类型号之一。对应材料类型代号可查帮助文档。

• Surface Roughness Type

表面粗糙度类型 If one of the surface roughness descriptions is selected (Polished, Ground,Machined, etc.) the FKM method described above will be applied, using one of a number of pre-set values for the surface roughness RZ. The values are given in the following table: 如果选择一个表面粗糙度描述(抛光，地面，加工，等等)描述，FKM方法将被应用，软件会使用预先设定的表面粗糙度RZ值。取值如下表所示:

3 总结

1） 表面加工方法对于疲劳强度有很大影响；

2 ）切削加工对金属的作用是非常复杂的，除了表面粗糙度以外，切削时引起的表面塑性变形、表面层受热都会导致加工硬化层及残余应力等变化从而影响疲劳强度；

3） 切削用量、切削工具的几何形状等与切削加工有关的因素，都对疲劳强度发生影响；

4） nCode在设置表面处理对于疲劳影响时采用了Ksur的方式；除了可以考虑表面粗糙的影响，用户也可以根据试验或者经验修改KTreatment和KUser两个参数来考虑其他加工因素对于疲劳强度的影响。

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