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第 3 卷
2015 年
6 月刊
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科学新讯


第 3 卷- 2015 年 6 月刊
丝鬃冲击:替代喷丸强化提高疲劳性能



图1:喷丸强化设备


图2:喷丸强化工序





图3:丝鬃冲击的Bristle Blaster®工具


表1:丝鬃冲击和抛喷丸强化后的粗糙度值


图4:A型阿尔们试片弧高度随处理时间的变化


图5:显微硬度 - 深度分布


图6:残余应力分布


图7:旋转束流负载中的S-N曲线 (R = -1)

  众所周知,抛喷丸强化、深滚压和激光喷丸强化等机械表面处理可以改善金属工件的疲劳性能,通常,疲劳性能的改善通过引进残余压应力、降低裂纹扩展速度实现。通过旋转钢刷的丝鬃冲击通常用于除锈和去毛刺,以及热处理钢构件上氧化层的去除。

  截至目前,丝鬃冲击几乎专用于涂层和/或涂料的表面清洁与表面准备,几乎从未考虑丝鬃冲击对表面强化和增加疲劳强度可能产生的影响。在本次调查中,丝鬃冲击对表面和粗糙度、加工硬化和残余应力分布等表层属性的影响与抛喷丸强化对Al2024-T4的影响进行了比较。此外,对丝鬃冲击和喷丸强化条件的高周疲劳性能也进行了比较和对比。

  喷丸强化处理采用通用喷丸强化设备OSK Kiefer,Oppurg的Gravi 2000(图1)。图2所示为对疲劳试样进行喷丸强化处理的过程。使用球形钝化钢丝切丸SCCW 14。

  丝鬃冲击在Monti,Hennef公司生产的Bristle Blaster®电驱动系统中使用(图3)。钢刷由高强度弹簧钢制成,处理疲劳试样之前,丝鬃冲击和抛喷丸强化的时间对阿尔们试片的弧高度影响已确定,结果如图4所示。两种处理均在短时间内导致所用的A型阿尔们试片A类弧高度明显增加。如图4所示,300秒后所得的弧高度几乎相同,约为0.15mmA,与表面处理的类型无关。

  表1提供了粗糙度仪测量的粗糙度值对比。由表可以看出,粗糙度值具有可比性。丝鬃冲击引起的最高硬度值略高于180 HV0.1(图5),增加硬度的穿透深度约0.2mm。如图5所示,喷丸强化处理后的微观硬度分布非常相似。

  如图6所示,根据钻孔法的测量,两种表面处理都会引入残余压应力。但是,喷丸强化处理后的残余压应力大小明显高于丝鬃冲击之后的残余压应力。旋转束流疲劳测试结果如图7所示,由于与机械处理的效果相反,两种表面处理都极大地提高了107周疲劳强度,从125MPa至超过200MPa(图7)。值得注意的是,尽管残余压应力大不相同,喷丸处理和丝鬃冲击后的疲劳强度却非常相似(图6)。

总结

  沉淀硬化铝合金Al2024-T4的丝鬃冲击使表面和表层属性-表面粗糙度及微观硬度-深度分布与传统喷丸强化非常类似。尽管喷丸强化引起的残余压应力高很多,丝鬃冲击导致的HCF强度增强可以与喷丸处理后的一样明显。

参考文献

[1] S. Hirose, H. Moriya, S. Harada and A. Yamada
Combined Surface Treatment by Shot Peening and Power Brushing, ICSP 2 (H.O. Fuchs, Ed.), American Shot Peening Society (1984) 50.
{2] M. Wollmann und L. Wagner
Kugelstrahlen als Verfahren zur Lebensdauererhöhung von Leichtmetallen. DIALOG Materialwissenschaften und Werkstofftechnik, DGM (2013) 112.
[3] T. Ludian and L. Wagner
Effect of age-hardening conditions on high cycle fatigue performance of mechanically surface treated Al2024. Materials Science and Engineering, A468 (2007) 210.
[4] T. Ludian and L. Wagner
Fatigue Strength Improvements in Various Aluminum Alloys after Shot Peening, MFN (2006) 46.
[5] T. Ludian and L. Wagner
Effect of Age-Hardening Condition on HCF Performance of Mechanically Surface Treated Al2024 (L. Shaw, J. Larsen and P. Liaw, eds.) Fatigue and Fracture of Traditional and Advanced Materials, The McEvily Symposium, Fatigue and Fracture of Traditional and Advanced Materials, TMS 2006.



作者:L.Wagner1, M.Wollmann1,
C.Becker1, V.Jannaschk2, A.Montabaur2

1: Institute of Materials Science and Engineering, TU Clausthal
Agricolastr.6
38678 Clausthal-Zellerfeld, Germany
2: MONTI - Werkzeuge GmbH
Reisertstr. 21, 53773 Hennef,Germany


 
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