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科学新讯


第 6 卷- 2018 年 6 月刊
铝合金抛喷丸强化用弹丸的关键参数



表1:两种铝合金的硬度对来自三个不同弹丸尺寸的塑性变形的影响,根据凹痕半径(a)到弹丸尺寸(D)和其相应的深度(H)来定义。后一个参数是用图1和Eq1来确定的。需要注意的是,只有当喷丸流喷过基于此目的而设计的特定取样片才可以测量凹痕半径。在这种情况下,覆盖范围少于100%。


图1:展示一个弹丸和相应凹痕区域的球扇形原理图


图2:为测量覆盖率而用特定试验样本喷丸后留下的凹痕形状和大小的图片


图3:S110弹丸在(a) 弹丸的费里特直径, (b) 以圆度表现出来的形状因子及(c) 依据每个被测量弹丸的最大长度比最小长度的比率得出的纵横比方面的分布情况图


图4:S230弹丸在(a) 弹丸的费里特直径, (b) 以圆度表现出来的形状因子及(c) 依据每个被测量弹丸的最大长度比最小长度的比率得出的纵横比方面的分布情况图


表2:喷丸介质的技术参数


图5:喷丸介质基体的显微维氏硬度

介绍

在处理疲劳失效上,喷丸法在某段时间被描述为有效的机械化表面处理方法。这种方法是一种冷处理工作流程,其包括用一连串小的和相对硬的弹丸来冲击一个金属部件,以此在部件表层导入理想的残余压应力和应变。这个过程最初被用在汽车工业中,但是,现在被广泛应于在航空航天工业中,不仅是保护飞机零部件的金属表面,而且也用于在面板中产生曲率变形。这个过程不需要专门的工具来获得给定的组件形状,而且能得到大的残余应力。由于表面上的残余应力,组件的疲劳寿命得到加强,这是大多数其它成型方法所获得的相反效果。可以通过诸如此类的变量来定义一个喷丸条件:a)弹丸尺寸、b)入射角、c)强度、d)饱和度、e)喷射速度和f)覆盖率。喷丸过程因目标材料而改变,包括微观结构和形貌的改变,以及残余压应力的产生。

其中一些变化是有益的,但是,还有一些变化明显是有害的。这些相反的效果经常难以理解并且极少与喷丸条件相联系。因而,有益的和有害的影响之间的平衡就使确定其对疲劳性能上的影响和喷丸行为的相关性变得困难。一般来说,人们可以推测出最佳疲劳强度的喷丸条件,这需要从尽可能高的表面硬化程度,尽可能大的残余压应力,尽可能深的压应力层和尽可能低的表面粗糙度中得出结果。但是,由于复杂的相互作用的影响,在最后的条件里不得不做出一些让步。但是,就铝合金来说,他们更具有粗糙度敏感属性或者表面伤害敏感属性。因此,喷丸介质方面的记录就值得研究,以确保在抗疲劳强度方面取得更好的结果。

喷丸介质

由喷丸介质引起的疲劳寿命的持续衰减可能是由以下一个或者多个因素引起的:

1.破碎的或者高度变形的介质和嵌入表面,产生应力集中,导致裂纹形核(表1)。

2.塑性变形不均匀,即使用最佳尺寸的介质喷丸使材料表面达到100%覆盖率,也会造成一些区域塑性变形的重叠。当使用较大介质喷丸时,塑性变形层的变化可能会在定量上比使用较小介质更大一些。

3.更大规格的介质一般会留下更大的凹痕,因此,凹痕周边的材料会被更远的距离的材料所取代,并缩进到更大深度或者将材料冲击挤压至与表面平行。很多研究者的报告都展现了这种以喷丸型表面挤压波纹(PSEF)或简单波纹形式的表面损伤,应力集中是该种裂纹形核的原因。

所研究的两种铝合金在三个不同入射角下喷丸,每种类型的弹丸的缩进半径a是通过使用图像分析系统测量出的。需要注意的是,观测的凹痕并不是完美的球形弹坑。很多在形状上是不规则的,是被拉长的,特别是对于45°和30°入射角度来说,(看图2)。这说明,在冲击过程中发生了切割和滑动效应,因此,用d表示最小的直径更能代表喷丸与表面的联系。

考虑到喷丸过程中的一个关键参数就是弹丸本身,在实验开始就对喷丸介质进行取样和分级来确保弹丸质量符合MIL-S和SAE标准的双重要求,并且来观测是否有任何显著变化。所评估出的弹丸特征是预先经过Gillespie[1]识别出的那些,也由相关标准所规定,即为:
i. 尺寸(直径)。
ii. 形状因子(圆度)。
iii. 纵横比(最大长度除以最
 小长度)
iv. 硬度(Hv)。
v. 密度。

有三种要么单独使用要么组合使用的技术,可以确定这些几何特征[2-4]:
i) 目视检测。
ii) 筛分分析。
iii) 图像分析。

报告显示图像分析技术凭着经过统计学处理的详细表述的和精确的结果,能够按照要求测量多个单独弹丸的若干特征。相反,筛分分析和目视检查既没有图像分析那样具有描述性,也没有图像分析那样精确。综上所述,在这项研究中,采用图像分析技术来刻画喷丸介质的尺寸,形状因子和纵横比的特性。弹丸基体的样本是通过对一托盘的弹丸重复细分直到大约剩下100个无偏差的样本的方式随机选择出来的,与英国宇航公司(空中巴士)性能规范相一致。我们用以PC为基础的图像分析软件(© SPSS Inc.拥有版权的SigmaScan Pro5.0版本)和一个光学显微镜Olympus CH-2 LECO来达到测量目的。按照如下情况定义了二维平面上测量到几何特征:

1) 弹丸直径方面的尺寸:计算为费里特直径,也就是与被测量的弹丸拥有相同面积的虚构的圆的直径,通过公式算出。

2) 形状因子:对弹丸周长的测量,通过公式算出。

完美的圆环拥有系数为1的形状因子。无法接受的弹丸形状:圆度少于0.81。

3) 纵横比:最大长度除以最小长度的一个比例。可以接受的数值范围是在1到1.2之间。

图3(a-c),展示了S110弹丸各自的尺寸,形状因子和纵横比的分布。

通过图3,可以看到形状因子和纵横比的分布都在可接受的数值内,也就是说,此弹丸接近圆球形;弹丸尺寸的分布呈现出相对于公称直径的显著变化,也就是说,弹丸尺寸在0.30到0.38mm范围内变动。在图4a-c,弹丸S230的统计行为是有插图说明。

弹丸S230上也观察到了相似的行为(图4(a-c));换句话说,相对于表2,形状因子和纵横比的分布都可接受,然而,直径的分布却表明其平均值远高于公称直径。

在弹丸尺寸方面,我们发现并没有对公差的明确定义。技术规范之间的显著差异也被报告出来。例如,虽然S110和S230的尺寸大小与MIL-S-13165C[6]技术规范相一致,但是据SAE-HS84[5]观察,同样的幅度却超过了其规定的公差范围。

基于为了获得最优压缩应力(强度和深度)的建议,喷丸介质需要与被喷丸的工件至少是一样硬,需要测量弹丸的硬度。

与[7]保持一致,大约50个弹丸样本被安装在140℃厘吉镶嵌固化的环氧树脂上,并通过采用带有初始400#碳化硅(SiC)纸的水洗旋转金相研磨机及不断增加优质磨料及晶粒大小为1µm的金刚石膏直到接触到1200#砂纸的方法来打磨抛光接近弹丸中心。通过使用一个500g载荷,持续时间为10秒的Matsuzawa Seiki显微硬度测量计,在每个弹丸抛光位置的中心区域测量出了其中20颗弹丸的显微硬度。

评估出的显微硬度与技术参数保持一致。在整批检测中发现了轻微偏差。S110和S170型号的弹丸比S330,S230和CCW20型号的要软。

结语

在弹丸尺寸和经过喷丸处理表面的粗糙度之间有一个明确的比例,也就是说,就像在表1中发现的那样,弹丸越大冲击越深。这项最新的发现引导出了这样的结论,即应力集中与形状有关而不随尺寸变化,虽然切口灵敏性可能随尺寸变化。根据上述观察结果,先前确定的弹丸几何特征表明,圆度和纵横比分布上的最不均匀的弹丸展现出这种现象。此外,我们发现,用此类弹丸进行喷丸处理的表面大部分由尖锐的喷丸凹槽组成;也就是说,带有狭窄凹痕的深层穿透。这些发现支持了较早前所做的有关应力集中系数与压痕形状相关的观察报告。

参考文献

1. Gillespie, R.D., (1993), "Shot peening media: Its effect on process consistency and resultant improvement in fatigue characteristics." In: The Fifth International Conference on Shot Peening  (ICSP-5). Oxford, UK. Ed. David Kirk. Coventry University: pp. 81-90.
2. British Aerospace (operations), limited, 1997, "Shot peening for improved fatigue and stress corrosion resistance. British Aerospace (Airbus), PROCESS SPECIFICATION (ABP 1-2031)": England, UK. pp. 1-23.
3. Bohn, Per, (1993), "The control of the shot peening media by sieve analysis." In: The Fifth International Conference on Shot Peening  (ICSP-5). Oxford, UK. Ed. David Kirk. Coventry University: pp. 91-98.
4. British Aerospace, PLC, 1993, "Determination of the shot peening and blasting intensity by Almen gauge. British Aerospace (Airbus), PROCESS SPECIFICATION (ABM 1-2031)": England, UK. pp. 1-11.
5. Committee, SAE Fatigue Design and Evaluation, (1991), SAE Manual on Shot Peening (SAE HS-84). 3rd ed. Society of Automotive Engineers, Inc.: pp. 19-20.
6. Military Specification, MIL-S-13165C, 7 June1989, "Shot peening of metal parts". The Wheelabrator Corporation: USA.
7. British Aerospace PLC, 1994, 1995, "Carbon steel spherically conditioned cut wire for shot peening. British Aerospace (Airbus), PROCESS SPECIFICATION (ABM 9-9076)": England, UK. pp. 1-7.



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