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第 1 卷
2013 年
12 月刊
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科学新讯


第 1 卷- 2013 年 12 月刊
抛喷丸强化对铝合金ENAW 2007和ENAW 6082性能的影响



图1:在不同的抛喷丸强化条件下,经处理的铝合金ENAW 2007的微硬度


图2:在不同的抛喷丸强化条件下,经处理的铝合金ENAW 2007的残余应力


图3:在不同的抛喷丸强化条件下,经处理的铝合金ENAW 6082的残余应力

  由于存在各类设置参数,因此抛喷丸强化工艺相当复杂。抛喷丸强化表面的品质在很大程度上取决于材料的类型和性能、初步表面处理的类型及抛喷丸强化层的深度。阿尔门强度可用来评估工业应用中各类抛喷丸强化条件的效果。阿尔门强度将不同的抛喷丸强化条件分为抛喷丸强化率,但是这些强化率并未直接比较设备组件中的微观结构、微硬度和产生的残余应力。抛喷丸强化还会导致表面微观几何形状发生变化,此变化依颗粒尺寸和颗粒对设备组件表面产生的冲击强度而定。抛喷丸强化表面用标准的表面粗糙度参数加以描述。

  材料表面层的冷微塑性变形导致位错密度增加,进而导致材料硬度提高以及较薄的表面层产生残余压应力。涉及各类工艺对表面状况产生的影响的科学学科称为表面完整性。因此,需要选择抛喷丸强化条件,以使颗粒(具有给定直径且由合适材料制成)的动能足够产生有质量的表面和材料所需的抗疲劳性。如果抛喷丸强化参数不够准确,则可能会损坏表面。但是,尽管硬度和残余压应力均较高,动载荷下的材料耐性并不会越来越好。

  含硬质钢颗粒的抛喷丸强化试验在两种类型的铝合金上进行。第一种铝合金为2007-T351。

  以重量百分比(wt%)表示的化学成分如下:Al-4.0Cu-1.2Pb-1.1Mg-0.8Mn-0.8Zn-0.8Si-0.8Fe-0.2Ti-0.2Ni-0.2Bi-02.Sn-0.1Cr;机械性能如下:Rm=370MPa、Rp0.2=240MPa以及A=9%。所交付回火合金的硬度值为109HV0.2。所交付合金的回火程度为T351,即合金在495°C的温度经过均质化处理,然后在室温下通过自然时效进行硬化。合金中除含铝外,还含有4%的铜,从而形成第一个第二相Al2Cu。合金中还含有镁和硅,形成第一个第二相Mg2Si。这两种相均有助于合金具有良好的机械性能。具有析出相Al2Cu和Mg2Si的合金可产生相当高的硬度和抗拉强度值。

  第二种铝合金为6082-T651。以重量百分比(wt%)表示的化学成分如下:Al-1.1Si-1.0Mg-0.8Mn-0.5Fe-0.25Cr-0.2Zn-0.1Cu-0.1Ti;机械性能如下:Rm=310MPa、Rp0.2=260MPa以及A=13.5%。所交付回火合金的硬度值为89HV0.2。所交付合金的回火程度为T651,即合金在540°C的温度经过均质化处理,然后在160°C温度下通过人工时效硬化10小时。合金中含有极少的铜,但所含的镁和硅形成第二相Mg2Si,从而在时效处理后加强固溶处理。

  两种类型的铝合金的试样均从直径为40mm的圆挤压棒上切取,然后将试样切成直径为10mm的盘。切割在机械刀具上进行,从而为金相实验做好试样准备。此过程在有冷却剂参与的温和条件下进行。两种合金的抛喷丸强化工艺利用直径为430µm的硬化钢颗粒进行。其规格为S170,而硬度值为56HRC。此过程在与10A、12A、21A及28A阿尔门强度相应的不同气压和抛丸量下进行。本研究的目标是确定抛喷丸强化的影响参数对表面完整性的影响。

  微硬度变化显示抛喷丸强化表面层的完整性对在运行条件且处于动态载荷状态下的设备组件的性能具有决定性作用。材料在较薄表面层的冷塑性变形率越高,就会导致软基质材料的位错密度越高。较高的位错密度和协同作用的类型及软基质中析出相的密度和尺寸会影响较薄表面层微硬度变化的变化趋势。

  图1说明在不同的阿尔门强度,即10A、12A、21A及28A的处理下测量单个试样时第一种铝合金ENAW 2007的微硬度变化。与预期结果一样,最高的微硬度值在表面获得,而微硬度变化随着深度会略微减少。在10A和12A的强度处理下的试样,从表面获得的微硬度值较低,而微硬度随深度的减小程度未像在经21A和28A强度处理的试样中所观察到的那样大。获得的微硬度差别较大,可达20HV0.2,相当于所交付回火合金中微硬度值的20%。根据微硬度变化可确定单个表面处理参数的硬化深度。在经10A和12A强度处理的试样中,获得的硬化深度在260µm与320µm之间,而在更高的强度下可获得明显更高的硬度深度,即可达390µm。

  根据微硬度变化情况,可作出以下推断:

• 测量的微硬度变化在不同的处理强度方面相似,但沿硬化深度其绝对值是不同的;
• 获得的硬化深度还取决于处理条件;在10A的强度下,硬化层的深度约为260µm,而在28A的强度下,深度约为390µm;
• 在21A和28A的处理强度下获得的微硬度变化明显比在10A和12A处理强度下在表面获得的高。

  图2说明合金ENAW 2007在不同强度下利用硬质钢颗粒处理的试样表面的最小残余应力。根据标准ASTM E 837-01中的定义,残余应力通过钻出一个盲孔来测量。在三轴电阻应变片CEA-06-062-UM上的单个轴上进行增量钻孔期间测量的应变有助于获得计算主要变形大小和计算主要残余应力所需的数据。

  在取自铝合金ENAW 2007的试样中,因为试样的机械准备(即试样的切割、研磨和抛光)较为谨慎,所以残余应力变化最小。残余应力为压应力。结果表明,从表面可获得最小残余应力,此应力约为-50MPa。

  经10A和12A处理的试样显示残余应力的变化非常相似。从这些试样中在约250µm深度下获得的最高残余压应力约为-295MPa。在经21A处理的试样中,在270µm深度下获得的最高残余应力为-340MPa。在经28A的强度处理的试样中,残余压应力的增加可忽略不计,即在深度约为290µm下应力为-360MPa。而令人吃惊的是从表面到内部的残余应力变化及最大残余压应力。在270µm深度的表面下存在的较高的残余应力值确认了表面应力随松弛而降低的事实。从局部来看,表面存在的这些较低的残余应力值可能归因于在测量残余应力时的系统错误。在所有抛喷丸强化条件下,残余压应力变为拉伸应力,其梯度与表面上的相似,即1.05MPa/µm。压应力向拉应力的转变可在650µm与710µm之间的深度下发生。残余应力梯度几乎与单个试样所处的条件或处理强度无关。唯一的例外是经10A处理的试样的残余应力变化,其应在温和条件下进行,而在转变为拉应力后,这些应力在20MPa且在高达950µm的临界深度下几乎是恒定的。

  图3说明铝合金ENAW 6082的最小残余应力变化。在切割后试样的交付回火程度下,仅介绍了较低的残余压应力,即150µm深度下为-15MPa。在950µm深度下,其值为+10MPa。残余应力变化的最低值可通过观察试样12A得出。计算的主要残余应力为压应力。其最高值约为在450µm深度下-115MPa。随着深度变化,残余应力变为拉应力,而试样12A除外,其在临界深度950µm的压缩区域仍保持不变。此深度也是测量残余应力的深度。在经最低强度10A处理的试样中,与上述试样相比,残余压应力的值比较高,即在250µm深度下为-167MPa。当此试样表面的最小主要残余应力变化到达最大值时,其转向拉伸区域,并在500µm深度下转变为拉伸应力。

  在最高强度下处理的试样的残余压应力具有相似的变化,这说明在强度为21A下处理的试样,其值为-203MPa,而在强度为28A下处理的试样,其值可达-180MPa。使用最高强度28A处理表面时,在表面之下33µm深度下第一个测量位置的最高残余应力值可达-203MPa。然后,此值会缓慢而稳定地减少。对于在最严酷条件下处理的两种试样,其压应力向拉应力的转变在相同的深度(即约550µm)下发生。

  要提供冷变形硬化表面层的最佳性能,需要调整抛喷丸强化工艺的影响参数,包括产生冲击试样表面所需的颗粒动能的工作气压。抛喷丸强化工艺可对整个试样的表面进行均匀硬化,以提高设备组件在运行条件且处于动态载荷状态下时材料的疲劳强度。抛喷丸强化优化参数可控制尺寸和微硬度或残余应力变化。因此,研究表面抛喷丸强化参数对单个材料的影响至关重要。

  根据对两种类型的合金进行的微硬度和残余应力测量结果,可以作出以下推断:

• 合金ENAW 2007-T351的微硬度变化与阿尔门强度定义的抛喷丸强化率对应。最低强度(138HV0.2)与最高强度(153HV0.2)之间试样硬度的差异仅为15HV0.2。
• 合金ENAW 2007-T351的残余应力变化非常相似,几乎与单个试样的处理强度无关。仅在表面以下的残余应力为较低的压应力,在约300µm的深度下,此应力值增加至-370MPa。
• 在最高处理强度(21A和28A)下,合金ENAW 6082-T651的残余应力变化非常有利。

  从表面可获得-203MPa(21A)与-198MPa(28A)之间的最高残余应力值。随着深度变化,这些应力值按小梯度下降,在550µm深度下,应力变为拉应力。

  对比两种铝合金ENAW 2007-T351和ENAW 6082-T651所得的结果显示,从第二种合金中获得的残余压应力较高;第二种合金中从表面到内部的应力变化相当有利。



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