鋼板彈簧（板簧）是商用車懸架系統(tǒng)的關(guān)鍵零部件之一，在車輛行駛過程中板簧主要起到傳遞載荷、消減震動、承受沖擊等作用，在長期承受彎曲循環(huán)載荷作用下疲勞斷裂是其主要失效形式。盡管近年國內(nèi)板簧生產(chǎn)有了很大進(jìn)步，但與世界發(fā)達(dá)國家相比還存在較大差距。此前，德國奔馳汽車公司卡車板簧的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求在最大應(yīng)力1200 MPa和應(yīng)力幅400 MPa條件下疲勞壽命達(dá)到30萬周，而國內(nèi)企業(yè)所研制的同類板簧在相同臺架條件下疲勞壽命只有20萬周，與國際先進(jìn)水平尚有一定差距。因此，延長國產(chǎn)板簧疲勞壽命對提高國內(nèi)板簧生產(chǎn)企業(yè)市場競爭力、降低板簧失效造成的安全事故具有十分重要的意義。

中國科學(xué)院金屬研究所張哲峰研究員帶領(lǐng)材料疲勞與斷裂研究團(tuán)隊(duì)經(jīng)過十余年努力，發(fā)展了系列原創(chuàng)疲勞性能預(yù)測理論模型，進(jìn)而研發(fā)出材料-構(gòu)件疲勞性能預(yù)測軟件，用于指導(dǎo)高性能金屬材料和關(guān)鍵構(gòu)件抗疲勞設(shè)計(jì)制造。近期，該團(tuán)隊(duì)成員王斌副研究員、張鵬研究員、白鑫副研究員與富奧汽車零部件股份有限公司研發(fā)中心及富奧遼寧汽車彈簧有限公司合作，針對LQD1800板簧疲勞延壽問題，基于疲勞性能預(yù)測理論及軟件分析，提出了板簧疲勞延壽的“三高”原則：1）基體萌生壽命高，2）殘余壓應(yīng)力場強(qiáng)度高，3）表面光潔度高。在對鋼板彈簧生產(chǎn)線不做較大工藝改動的情況下，對LQD1800鋼板彈簧熱處理和噴丸進(jìn)行抗疲勞制造工藝優(yōu)化。經(jīng)過改進(jìn)工藝的板簧臺架疲勞考核結(jié)果表明：在最大應(yīng)力1200 MPa和應(yīng)力幅400 MPa條件下，該板簧3次臺架疲勞壽命均超過100萬周（圖1所示），達(dá)到國際一流水平。

利用疲勞理論創(chuàng)新成果，該團(tuán)隊(duì)成員王斌副研究員、白鑫副研究員、朱艷坤助理研究員、張鵬研究員通過分析LQD1800板簧的強(qiáng)韌性能、理論模型參數(shù)、形狀結(jié)構(gòu)及受力狀態(tài)，發(fā)展完善了適用于板簧的疲勞壽命預(yù)測與優(yōu)化理論模型，并開發(fā)了板簧疲勞壽命預(yù)測與優(yōu)化軟件系統(tǒng)，為實(shí)現(xiàn)板簧疲勞延壽提供了有效工具。目前該疲勞預(yù)測軟件系統(tǒng)已在富奧遼寧汽車彈簧有限公司安裝運(yùn)行，用于指導(dǎo)板簧抗疲勞設(shè)計(jì)與制造工藝優(yōu)化。 

材料疲勞性能預(yù)測與疲勞延壽是關(guān)鍵構(gòu)件長期服役可靠性的重要保障，針對如何發(fā)揮金屬材料性能潛力和疲勞延壽這一長期理論與工業(yè)難題，張哲峰研究員提出“以短預(yù)長、以易預(yù)難”的學(xué)術(shù)思想，過去十余年帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)建立了高周疲勞強(qiáng)度、低周疲勞壽命、疲勞裂紋擴(kuò)展速率定量預(yù)測等十余個(gè)理論模型，明確了材料拉伸性能、斷裂韌性等簡單易測性能與疲勞性能之間定量關(guān)系，研發(fā)出材料-構(gòu)件疲勞性能預(yù)測軟件，實(shí)現(xiàn)以材料短期性能預(yù)測長期性能的目標(biāo)，指導(dǎo)材料-構(gòu)件疲勞性能最優(yōu)制造工藝（見圖1），為關(guān)鍵構(gòu)件抗疲勞設(shè)計(jì)制造提供可能性，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)技術(shù)調(diào)整工藝參數(shù)，保證關(guān)鍵構(gòu)件抗疲勞設(shè)計(jì)制造可行性。

原創(chuàng)疲勞理論模型貢獻(xiàn)人員包括：劉睿博士、李鶴飛博士、王斌副研究員、龐建超副研究員、張振軍研究員及張鵬研究員，研究成果在Acta Mater、J. Mater Sci Tech、Mater Sci Eng A、Int J Fatigue等期刊上發(fā)表SCI論文10余篇，申請發(fā)明專利10余項(xiàng)，獲國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(52130002、51331007)、汽車聯(lián)合基金項(xiàng)目(U1664253)、面上項(xiàng)目(51771208)、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2017YFB0703002)、中科院先導(dǎo)專項(xiàng)項(xiàng)目(XDB22020202)以及吉林省與中國科學(xué)院科技合作高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)化專項(xiàng)資金項(xiàng)目(2020SYHZ0008)的支持。 

圖1. 汽車鋼板彈簧、疲勞性能預(yù)測軟件系統(tǒng)及板簧臺架疲勞試驗(yàn)報(bào)告