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第 3 卷
2015 年
12 月刊
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科学新讯


第 3 卷- 2015 年 12 月刊
2024-T351喷丸处理铝合金的裂纹扩展特性



表1:AA试验的喷丸条件


图1:AA 2024-T351 (a) 试验中喷丸处理试样和未喷丸处理试样的轴向负载恒幅S-N曲线


表2:裂纹扩展测量的试样试验条件


图2:不同应力下喷丸试样和未喷丸试样的裂纹扩展特性


图3:未喷丸试样两侧裂纹间的裂纹贯通(σmax. = 270 MPa): (a) 试样边缘左侧形成的一条裂纹,(b) 试样边缘右侧形成的两条裂纹和 (c) 附近裂纹贯通后产生的致命性裂纹扩展


图4: 裂纹扩展率对表面裂纹半长曲线

1. 简介

  受控喷丸处理是弹丸高速碰撞(通常为铸钢丸,但有时为微晶玻璃丸、铸铁丸或钢丝切丸)待处理材料表面的一种冷加工处理。丸粒对表面进行塑性变形和压印。此类不均匀的塑性变形会导致:(i)表面粗糙,(ii)近表面位错密度增高(加工硬化)及(iii)形成表面下残余压缩应力(CRS)。CRS在裂纹两侧充当裂纹闭合应力,阻碍了疲劳裂纹的产生并延缓了细小裂纹的扩展,从而改善疲劳。然而,应力集中效应(粗化表面)则会加速裂纹的扩展。反之,应变硬化会提高裂纹尖端塑性变形的阻力,从而阻碍裂纹扩展。根据试验结果,考察喷丸改性对疲劳裂纹扩展和非扩展的影响,为此,在疲劳试验[1]中实施最佳和最差的喷丸条件。对残余应力、微硬度和表面粗糙度施加相同重量,即进行表面改性的平衡练习。该试验选择的喷丸条件,如表1所示。

  根据其他规定,使用沙漏型试样进行传统轴向拉伸疲劳试验[1]。铝合金的疲劳试验结果应针对广泛的施加应力,以 Wöhler应力对疲劳损坏周期数(S-N)曲线的形式表示,如图1所示。疲劳极限定义为应力交变循环大至7x106次而试样仍不破损时的最大应力。

  AA12024疲劳寿命曲线中观察到的趋势显示尤其在低频和高频疲劳区域的中间区域,进行喷丸处理的试样寿命稍长于未进行喷丸处理的试样寿命。然而,显而易见,喷丸处理未损坏材料疲劳性能。可以发现最佳喷丸条件结果基本上优于最差喷丸条件结果。此外,可以观察到应力在300 MPa附近时,喷丸试样的耐久性明显增强。未喷丸材料的疲劳极限约为190 MPa,喷丸材料在最差和最佳条件下的疲劳强度分别为190 Mpa和225 MPa。可以发现低周疲劳区域的疲劳寿命无明显差异。

2. 裂纹扩展

  制作表2所述条件试验试样的塑料复制品,进行裂纹扩展测量。该选择依据S-N数据,因此可预计裂纹扩展率的显著变化。

  依据产生裂纹数量(Ni)和疲劳损坏周期数(Nf),记录各复制试验中检测得损坏裂纹的扩展特性。复制品上可见的裂纹长度绘制为裂纹半长。图2为两个同种类复制试验的裂纹半长对周期数图。

  表面复制品显示主要裂纹通常产生在角边上并沿两侧扩展(宽度和厚度)。所有情况下,致命性裂纹均在两个铝合金材料的量规区域形成。在喷丸试样上可以观察到各应力级施加点有极少的孤立裂纹产生,但未喷丸试样上此类裂纹点的数量却有所增加。然而,可以观察到仅有一条裂纹决定着疲劳寿命。此外,随着试验的进行,未喷丸试样和喷丸试样上均可观察到裂纹贯通,如图3所示。

3. 裂纹扩展率

  对测得的表面裂纹半长使用正割法计算裂纹扩展率。使用已知循环寿命的两个连续复制品中相同裂纹的两次裂纹长度测量值计算平均扩展率,表达式如下:

“公式无法显示” (1)

  其中ai、ai+1是两个连续阶段的裂纹长度,Ni、Ni+1是裂纹长度ai、ai+1的对应周期数。使用该间隔时期内的平均扩展率表示对应上述平均裂纹长度(am)的扩展率。

  依据平均裂纹长度绘制的裂纹扩展率图,如图4所示。疲劳裂纹平稳扩展前出现明显的加速和减速。裂纹扩展率突跳对裂纹贯通进行了证明,如图4(a)所示。在图4(b)中,未喷丸试样和喷丸试样的裂纹扩展率大致相同。

  部分研究者,如 Wohlfahrt[2] 认为产生最佳疲劳强度的喷丸条件应尽可能增强表面硬化、加大残余压缩应力和降低表面粗糙度。据此,选择给定疲劳阶段实施的最佳和最差喷丸条件。总体疲劳结果显示:使用粒度最小的弹丸进行喷丸处理产生AA 2024-T351最佳疲劳性能。这暗示该铝合金材料可能具有粗糙度敏感或表面损坏敏感特性。随着喷丸介质尺寸增加,疲劳寿命持续下降可能由以下个别或多个原因造成:

1. 介质破损或高度变形和嵌入式颗粒,导致表面渗透加深,因此,更可能由于应力集中形成裂纹。
2. 塑性变形层不均匀,最小颗粒喷丸的100% 覆盖率可实现完全覆盖,并有部分重叠。使用尺寸较大介质进行喷丸,塑性变形层改性在数量上多于使用尺寸较小介质进行喷丸。
3. 较大介质倾向于产生较大压痕,因此,压痕周围的材料产生更大的位移,将被压入更深,且/或产生平行于表面的冲击挤压力。多位研究者[3,4]已做出报告:此类被称作喷丸表面挤压褶皱(PSEF)或简称为褶皱的表面破损是应力集中促使裂纹形核的原因。

参考文献

1. 《喷丸处理工艺对 2024-T351 铝合金表面改性的影响》Metal Finishing News 2008年3月发行,第9卷,58-61页。
2. Wohlfahrt, H.(1987)《改善金属和结构部件疲劳特性的喷丸应用实际问题》“喷丸科学技术应用”方面。第三次喷丸国际会议(ICSP-3)。德国,Eds.H.Wohlfahrt、R.Koop 和O.Vohringer。Deutsche Gesellschaft fur Metallkunde e.V.:563-584页。
3. Simpson, Roger S.(1984)《预测喷丸组件促进疲劳寿命增强百分比的数学模型开发,阶段 I》Airtech Precision Shot Peening,Inc.飞行动力学实验室。俄亥俄州空军系统司令部wright-patterson AFB空军制造者航空实验室,邮编45433。《1983年9月至1984年4月的最终报告》:1-37页。
4. Mutoh,Y.、Fair, G. H.、Noble, B.和Waterhouse, R.B.(1987)《喷丸处理产生的残余应力对两种高强度铝合金疲劳裂纹扩展的影响》。《工程材料和结构的疲劳和断裂》第10卷,4号:261-272页。



邮箱:josesolis@infinitum.com.mx

工作单位:
SEP/SES/TECNM/IT de Tlalnepantla


 
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