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科学新讯


第 5 卷- 2017 年 3 月刊
铝合金抛喷丸强化表面粗糙度的研究



图1:由于具有不同纵横比的表面凹痕造成的几何应力集中。Kt随锥窝的大小和深度而变化,并且是距锥窝中心的函数距离。


表1:AA2024-T351和7150-T651的Ra和Rt粗糙度参数的平均值直接在不同抛喷丸条件的抛喷试样上测量。Ra仅作为比较参数包括在内。


图2:具有以下抛喷丸条件的AA-2024-T351试样的粗糙度轮廓图:S110(最精细抛喷丸)、100%覆盖率和45°入射角。显示了一个25mm的大轮廓和4个各为4mm的轮廓。


图3:具有以下抛喷丸条件的AA-2024-T351试样的粗糙度轮廓图:S330(粗抛喷丸)、100%覆盖率和90°入射角


表2:相邻峰到峰平均距离,表示为Sm。还显示了95%置信区间。


表3:计算每个抛喷丸条件下对两个AA的应力集中系数。带下划线的数字表示比率Rtm/Sm超过等式(1)中的限制。但是,其仍然有用,因为这些没有超过0.4的限制。


图4:入射角随应力集中系数(Kt)变化的示意图。因为Kt是比率h/d的函数,45°的入射角可以导致比89°的入射角更高的应力集中。

简介

  抛喷丸强化(SP)是一种廉价的表面处理方法,高速喷射极硬、微小的球形陶瓷或金属弹丸冲击金属组件的表面上,形成以凹痕,产生局部表面塑性变形,导致表面的粗糙度和外观改变,如果对其进行适当控制,可以显着改善金属组件的最终性能。很明显,表面应力受到表面形貌的内在影响。但是,仍然没有足够的关于抛喷丸强化表面形貌的量化信息。Li等人开发了一种用于估算由多个压痕所产生的几何应力集中系数(Kt)的方法[1]。其中,使用有限元素进行广泛的3D应力分析,并提出了Kt的如下两个一般关系:

“公式无法显示” (1)

* 注释的限制条件与计算的Kt和比率H/D(等于Rtm/Sm)之间的近似线性关系有关。其最大为Rtm/Sm≤0.4,仍然可以获得合理的结果。但是,预计高于该比率会有线性损耗,因此结果可能不确定。

  其中,Rtm表示在评估长度内的所有Rt的平均值,Rt是在一个采样长度中轮廓的最大峰谷高度。Sm是在评估长度上测量的轮廓的相邻局部峰的平均间隔。计算式使用最大Kt值,因为其假设表面裂纹通常最初在具有最高局部应力集中度的位置出现。在抛喷丸强化的样本中,由表面粗糙度造成的应力集中是冲击凹痕的平均宽度和深度(纵横比)的函数,如图1所示。

  在本论文中,报告了一种实验和分析方法,用于量化铝抛喷丸表面在不同抛喷丸参数下的表面形貌。

实验

  Clausen和Stangenbert[2]已经发现,在覆盖率≥97%的均匀抛喷丸表面中,测量的粗糙度值、测量方向和测量点之间没有明显的依赖关系。因此,他们提出在任何点和在任何所需方向上进行至少十次测量方法,求得平均值可以用于表示表面的粗糙度。采用这种方法进行粗糙度测量,可以预计2024-T351铝合金样本的表面粗糙度具有约10%的标准差。选择4mm的估计长度,每个包含五个0.8mm的样本长度。在任何方向上都需要进行十次测量,以确保足够的准确性。为了减少所需的测量次数,进行一次25mm长度(相当于六个4mm估计长度)的测量,以及其他4次4mm长度的测量。其得出了长度为4mm的十个轮廓的等值,从中找到S、Ra和Rt的值,并且平均得到Sm、Ram和Rtm。

  应力集中系数(表示为Kt)是抛喷丸产生的粗糙度的定量表征。该系数是表面粗糙度参数Rtm和Sm的函数。测量的参数Rt和Ra的计算平均值列于表1中。通过使用临界点的学生t检验分布,即置信区间?来量化置信区间,其中,μ = 样本平均值、? = 标准差、n = 样本大小、t = 学生t检验分布表的90%置信度的读取值。样本大小为:n = 10,自由度数量df = 9。从相应的表1中读取t = 1.833的值。

  对于每个抛喷丸条件,从相应的粗糙度轮廓图中总共获得30个S值的读数(相邻的峰到峰距离)。计算的平均值编入表2中。图2-3中展示了进行S测量的粗糙度图形输出轮廓的示例。这些轮廓图还突出了使用最精细抛喷丸(S110)和粗抛喷丸(S330)的抛喷丸表面之间的表面形貌变化,以及用于相同AA的未抛喷丸表面。

结果和最终备注

  根据等式(1),使用表1和表2中编入的平均值Rtm和Sm来计算应力集中系数Kt,其列于表3中。

  抛喷丸的尺寸和所展现的最大峰谷高(Rtm)之间存在明确的比例,即抛喷丸越大,冲击越深,如表1所示。类似的观察结果可以从表2中得出,其针对两个AA所展现的峰到峰平均值(Sm)。但是,在计算的应力集中上没有可辨的相关性。后一种观察断定造成的应力集中是依赖形状,而不是依赖大小,尽管切口灵敏度可能为依赖大小。较高的粗糙度纵横比(Rtm/Sm)将导致较高的应力集中。

  鉴于上述观察,在具有抛喷丸类型SCCW20的抛喷试样上发现了最高应力集中值,如表3所示。为此,先前确定的抛喷丸几何特征揭示了这种类型的抛喷丸表现出圆度和纵横比分布的最高分散。此外,发现用这种抛喷丸进行抛喷丸处理的表面主要含有尖锐抛喷丸压痕,即具有窄凹痕的深穿透,如表1和2所示。这些发现支持早先关于压痕形状与应力集中系数依赖性的结论。

  观察到的其他特征是:(i)冲击角度为45°的抛喷丸表面通常比89°的表面具有更高的应力集中,并且,(ii)发现Kt的边际增加与覆盖百分比的增加相关。较高的覆盖率将显着产生较大的凹痕深度,而45°的中等入射角可导致凹痕宽度比由正常(89°)入射角产生的凹痕更窄,如图4所示。由于较高的纵横比值,这些条件仍然可以增加应力集中。

  因此,抛喷丸的几何特征、覆盖率和入射角在应力集中系数Kt中起主要作用,该系数被认为是由留在抛喷丸表面上的锥窝形状决定的。

参考文献

1. Li, J.K., Mei, Yao, Duo, Wang and Renzhi, Wang, (1992),“对由抛喷丸强化引起的应力集中的分析及其在预测疲劳强度中的应用”.《工程材料与结构的疲劳与断裂》.第15卷,第12期:第1271-1279页.
2. Clausen, R.,(1999),“抛喷丸强化表面的粗糙度 — 定义和测量”.收录于:《抛喷丸强化:现在和未来》第7届抛喷丸强化国际会议(ICSP-7).波兰华沙.Ed.Aleksander Nakonieczny.精密机械研究所:第69-77页.



墨西哥Instituto Tecnológico de
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