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第 2 卷
2014 年
6 月刊
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科学新讯


第 2 卷- 2014 年 6 月刊
铝合金抛喷实验残余应力观察报告



图1:显示一些结果差异的应变仪测量值示例,因为众所周知,积分法(IM)是确定残余应力的合适方法(特别是出现强应力梯度时),采用这种方法是为了将其计算结果与使用ISM获得的结果进行比较


图2:AA2024-T351取样片的残余应力分布,其抛喷条件为:弹丸为S230、抛喷丸覆盖率为50%,入射角为30°,计算方法为应变增量法和积分法(采用主要最大应力),还绘制了60%屈服应力水平线


图3:AA2024-T351抛喷丸取样片的残余应力分布


图4:AA7150-T651抛喷丸取样片的残余应力分布


图5:超过材料屈服应力的AA 2024-T351抛喷试样的残余应力分布,局部屈服应力演变表示为由等式2和显微硬度分布共同确定的虚线曲线


图6:原始和经热处理AA材料之间的残余应力分布对比,采用ISM法确定残余应力

  受控制抛喷丸强化是一种冷加工处理工艺,在该工艺过程中很多小丸状物(通常为铸钢丸,但有时候也可以是微晶玻璃、铸钢或钢丝切丸)以高速冲撞待处理的材料表面,使表面产生塑形变形并留下凹痕,不均匀塑性变形使:(i)表面粗化,(ii)表面周围的位错密度增加(硬化),(iii)表面下方残余压应力(CRS)发生变化,由于CRS在裂纹两侧起着裂纹闭合应力的作用,因此它能够有效防止疲劳发生,因为它能够防止疲劳裂纹萌生并能减缓微裂纹的扩展,然而,应力集中效应却会加速裂纹的扩展(粗化表面),反过来,应变硬化能通过增加裂纹尖端塑性变形的耐力减缓裂纹的扩展。

  很显然,抛喷丸强化工艺的抗疲劳性能取决于其有利影响和不利影响之间的抗衡,因此,为实现理想的抗疲劳性能,必须分析并理解抛喷效果和交互加载条件的关系。

  利用增量钻孔法技术(IHD)测量残余应力,为了确定取样片特定抛喷丸条件下的残余应力,直接从应变仪测量的应变值根据ASTM E837应变增量法(ISM)进行了计算,如图1所示。

  图2和图3展示了一些典型残余应力的分布,应用高斯函数(等式1)进行曲线拟合以生成各种函数,这些函数描述了可合并为闭合应力σi1的残余应力,用于估算建模的CTOD。

“公式无法显示”(1) 其中
σR   =残余压应力
A+B  =最大残余应力
x    =表面下方深度
Xd   =至最大残余应力的深度
W    =应力曲线的宽度值
B    =预置残余应力 (仅预应力试样)

  图中所示的水平线(图2至图4)分别是基体材料的屈服强度和60%屈服强度值,当残余应力超过屈服强度的60%时,这些水平线用作钻孔塑性效果1的影响的指示,见报道[1]。

1 钻孔自身引起的应力集中会导致局部塑性屈服(钻孔诱发的塑性变形),这会强烈干扰残余应力的确定,因为计算应力的分析方法会认为这是线弹性材料行为。

  图3和图4清晰展示了计算方法对残余应力结果的影响,可以看到应变积分法和应变增量法曲线之间存在明显差异,距表面的距离越大差异越大,观察到的差异可归因于各计算方法的理论性缺陷。

  在ISM方法中,等效均布应力将考虑上次增量计算中的残余应力影响,这一概念基于总孔深范围内的平均应力,其与实际非均布应力场产生的总应变相同,其中后半句话表示所有给定深度增量处的应力对表面造成的应变消除相同,然而,Flaman[2]曾经表示靠近表面增量处的残余应力要比更深增量处的残余应力造成的应变松弛更强,反过来,如Schajer[3]所指出,由于积分法能够在出现强应力梯度时,正确考虑应变作用,因此特别推荐使用这种计算方法,然而,这种方法涉及消除应变和各步进增量深度的精确测量,例如,易导致更高的误差灵敏度,由于误差可以传递,误差灵敏度会与深度增量数成比例变化。

  图3和图4清楚地展示了相比积分方法根据ISM而被高估的IHD残余应力分布,然而,IM图无明显平稳的压缩应力分布,这就是误差因大量增量步进(特别是表面附近)而放大的证据,鉴于所有方法均会受到灵敏度因更深增量处的应力消除而减弱的限制,本研究后续阶段将采用ISM的测量结果。

  对于可归因于最大残余应力高于材料屈服强度60%的误差,曾有多位作者报告了相应误差的估算,但是这些报告均未考虑表面处理后的局部屈服强度,有报告曾称:当残余应力低于60%材料屈服应力时,误差约为+10%[4],70%屈服应力的残余应力量级的预期高估值为15%,90%屈服应力的残余应力量级预期高估+20%,接近95%材料屈服应力的残余应力预期高估值将高达+35%。

  表面硬化能够有效防止塑性屈服[4]已得到证实,另外还发现,当现有残余压应力超过抛喷材料80%的相应局部屈服应力时,塑性效果变得非常显著,根据硬度和屈服强度之间的比例性,已能够通过使用基体材料屈服强度σy和显微硬度的相对变化,根据以下关系式[4]成功确定局部屈服强度σly:“公式无法显示”(2)

  其中,σy是材料的屈服应力(2024和7150 AA各自的屈服应力是325和450MPa),ΔHv是维氏显微硬度的变化,Hvbulk是块体材料的维氏显微硬度,其范围在120-130 Hv0.1(AA 2024-T351)和140-145 Hv0.1(AA 7150-T651)之间。

  两种抛喷AA材料的残余应力分布仔细研究显示仅AA 2024-T351的测试11超过了材料屈服应力的116%,然而,在靠近表面层处还观察到高硬化强度,如图5所示。

  有必要指出在IHD数据评估时,由于表面粗糙、应变仪厚度等原因,第一增量大小的确定较不准确,因此,这就加剧了表面残余应力确定的不可靠性,然而,大多数残余应力结果均集中的表面下方附近(在0.030和0.040mm之间)。

  对每次测试中残余应力演变的观察结果揭示了抛喷丸类型(大小)对最大残余应力深度的典型强烈影响,发现两种AA材料之间的总体残余应力分布非常相似,然而,AA 2024-T351要比AA 7150-T651的残余应力峰值略高,这可以理解为材料属性的体现,例如硬度和屈服强度,在AA2024中出现相对较多次残余压应力达到60%屈服应力的现象,这是较柔软材料的另一迹象。

  两种未经抛喷丸强化的AA材料均未观察到明显残余应力差异,残余压应力通常出现在逐渐趋向零位置的表面附近(从20μm的深度),在制作试样的过程中,除去别的因素之外,这些应力的出现可归因于加工工艺(特别是铣削),未抛喷试样的残余应力趋势如在图6中标绘,由于原始材料7150-T651 AA经过人工时效热处理,热处理和未经热处理试样的残余应力分布显示在同一图中,原始状态(W51)的AA7150展现出完全反的趋势,其中在靠近表面的位置观察到显著残余拉应力场,这可能是因为原始材料(回火程度W51)存在3%的拉伸度。

参考文献

1.Vishay-Measurements Group,Inc.,1996年11月,Measurements Group的“采用钻孔应变计法测量残余应力”,技术说明,TN-503-5(残余应力测量),第1-19页。
2.Flaman,M.T.、Mills,B.E.和Boag,J.M.,(1987),“中心孔法残余应力测量的使用深度测量方法的应力变异分析”,《实验技术》,第11期,第35-37页。
3.Schajer,G.S.,(1988),“使用钻孔法测量非均布残余应力,第1部分-应力计算方法”,《工程材料与技术杂志》。第110期,10月刊,第338-343页。
4.Nobre,J.P.、Kornmeier,M.、Dias,A.M.和Scholtes.,B.,(2000)“使用钻孔法和X射线衍射应力仪法比较分析抛喷丸强化残余应力”,《材料科学论坛》,第347-349期,第138-143页。



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工作单位: SEP-DGEST-IT de Tlalnepantla
 
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