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不同强度抛喷丸处理后铝锂合金表面的残余应力

文章出处:青岛华盛泰 编辑:pwj 发表时间::2018-04-23
摘    要:

在不同抛喷丸强度下对铝锂合金进行了表面抛喷丸处理,采用X射线衍射法和盲孔法分析了其表面及近表层的残余应力。结果表明:采用不同抛喷丸强度处理后试样表面90°方向(平行喷嘴移动方向)的残余压应力高于0°方向(垂直喷嘴移动方向)的,90°方向的衍射峰积分宽度大于0°方向的,说明抛喷丸强化后试样在90°方向产生了更大的微应变;试样近表层残余压应力随层深的增加先增大后减小,最终趋于0;较高强度抛喷丸处理后试样表面和距表面0.15mm内的残余压应力小于较低抛喷丸强度处理的,而最大残余压应力、最大残余压应力深度以及残余压应力场深度均大于较低强度抛喷丸处理后的。
 

0 引言

锂是自然界密度最小的金属,在铝合金中每添加质量分数为1%的锂,可使合金的密度降低3%,弹性模量提高6%。因此铝锂合金作为一种低密度、高弹性模量、高比强度和高比刚度的材料,已成为新一代航空、航天材料研发的重点[1-5]。

为了能更好地发挥金属材料特性、提高其抗疲劳断裂性能、延长结构件的使用寿命,工程上往往通过表面强化技术在结构件表面引入残余压应力。在众多表面强化技术中,抛喷丸强化工艺因具有不受材料种类限制、不受零件几何形状与尺寸的局限等特点得到了广泛研究与应用。该工艺通过高速运动的弹丸流对材料表面的冲击,使材料表层产生加工硬化和组织细化,并伴随弹-塑性变形而引入残余压应力[6-8]。

残余应力状态是评估抛喷丸工艺优劣的重要参数。常用的抛喷丸残余压应力特征参量有表面残余压应力、最大残余压应力、最大残余压应力深度和残余压应力场深度,这些参量的获取和分析均依赖于准确有效的残余应力测试技术。目前广泛应用于工业领域的残余应力测试方法主要有X射线衍射法和盲孔法。X射线衍射法具有无破坏、理论成熟等特点[9],国际通用测试标准为EN 15305-2008;盲孔法属于一种半破坏方法,具有操作简单、测量方便等特点,美国ASTM E837-08标准中新增了非均匀应力测试规范,使盲孔法测试试样不同深度的残余应力成为可能。目前,有关铝锂合金抛喷丸处理后表面残余应力分布的研究报道较少,为此,作者采用不同的抛喷丸强度对铝锂合金进行了抛喷丸处理,并分别使用X射线衍射法和盲孔法对抛喷丸后的表层残余应力进行了测试,为抛喷丸工艺参数设计与优化提供参考。

1 试样制备与试验方法

1.1 试样制备

试验材料为T8态铝锂合金板材,其化学成分如表1 所示。抛喷丸试样的尺寸为50 mm×50 mm×3mm,抛喷丸区域及残余应力测试点及测试方向如图1所示,测试点位于试样表面中心,0°方向为垂直于喷嘴水平移动方向,90°方向为平行于喷嘴水平移动方向。

表1 铝锂合金的化学成分(质量分数)Tab.1 Chemical composition of aluminum-lithium alloy (mass)    下载原表

表1 铝锂合金的化学成分(质量分数)Tab.1 Chemical composition of aluminum-lithium alloy (mass)
图1 喷丸试样尺寸及残余应力测试示意Fig.1 Size of the shot-peened specimen and schematic map of residual stress measurement

图1 抛喷丸试样尺寸及残余应力测试示意Fig.1 Size of the shot-peened specimen and schematic map of residual stress measurement   下载原图

 

选用铸钢弹丸在数控PW-1型干式抛喷丸机上对合金进行抛喷丸处理,使用A型阿尔门试片测抛喷丸强度,抛喷丸工艺参数如表2所示。抛喷丸强度是评价抛喷丸强化工艺的一个非常重要的参数指标,也是确保抛喷丸处理可重复性的关键因素,它由弹丸类型、喷射气压、喷射时间、喷射距离等工艺参数共同确定。

表2 抛喷丸工艺参数Tab.2 Shot peening parameters    下载原表

表2 喷丸工艺参数Tab.2 Shot peening parameters

1.2 试验方法

依据EN 15305-2008,使用LXRD大功率X射线衍射仪测试了试样表面中心点处0°和90°方向的残余应力,工作条件为铬靶,Kα射线,波长0.154 183 8nm,衍射晶面(311),衍射角2θ 为139°,弹性常数1/2S2为19.54×10MPa。使用固定ψ0法进行测试,ψ0分别为20.5°,16.68°,11.05°,4.8°,2.91°,0°,-2.91°,-4.8°,-11.05°,-16.68°,-20.5°,每个角度曝光10次。为减少组织中粗大晶粒对测试结果的影响,测试时在每一个ψ0值再进行±3°的摆动,以增加衍射晶面数量从而得到满意的峰形。

依据ASTM E837-08,使用MTS3000型自动钻孔残余应力仪对距表面1mm范围内的残余应力进行测试,为避免在钻孔过程中产生附加应力,使用由高速气动涡轮驱动的铣刀在试样中心点钻取2mm深的盲孔,铣刀直径为1.6mm,每次钻孔步进增量为25μm,每一增量的应变读数均在稳定后读取,应变片测量圆直径8.4mm。

2 试验结果与讨论

2.1 表面残余应力

依据EN 15305-2008,残余应力X射线测试结果准确性的评价标准应该满足以下要求:(1)当X射线应力测试结果 时,测试结果的不确定度应满足 ;(2)当X射线应力测试结果 时,测试结果的不确定度满足 或者 ,取两者中最大值作为上限。试验测得铝锂合金表面残余应力的不确定度最大为3 MPa,满足EN 15305-2008要求。

由图2可知,抛喷丸处理前1试样在0°方向存在7 MPa的残余压应力,在90°方向存在4 MPa的残余拉应力,2试样在0°和90°方向分别存在10 MPa和1 MPa的残余拉应力;抛喷丸强化后,1和2试样表面0°方向的残余应力均为压应力,分别为171,137MPa,小于90°方向的195MPa和148MPa。随着抛喷丸强度增大,0°与90°方向的残余应力均增大。

 

图2不同强度抛喷丸处理前后试样表面0°和90°方向的残余应力Fig.2 Surface residual stresses in 0°and 90°directions of the specimens before(a)and after(b)treated at different shot peening intensities

由图3可以看出,无论是1试样还是2试样,其90°方向的衍射峰积分宽度均大于0°方向的,说明试样在90°方向产生了更大的微应变[10]。表面残余压应力的分布表现出方向性,其原因可能与喷射区尺寸规则性、试样板材轧制流线方向以及喷嘴移动方向等因素有关。

 

图3不同强度抛喷丸处理后试样表面0°和90°方向的衍射峰积分宽度Fig.3 Integral breadth of diffraction peaks in 0°and 90°directions of the specimens after treated at different shot peeing intensities

2.2 残余应力分布

由图4 可知,1和2试样的残余压应力均随深度的增加先增大后减小,并分别在距表面0.5mm和0.7mm左右变成拉应力,最终在距表面0.9mm左右趋于零。高速运动的弹丸与试样表面发生撞击并传递能量的同时,试样表层也产生了塑性变形,且塑性变形从强化层外层向内逐渐减小,呈梯度分布;塑性变形的存在导致残余压应力发生松弛,使得从强化层内部到试样表面一定范围内的残余压应力逐渐减小,产生了所谓“钩型”的残余压应力场[11]。

 

图4不同强度抛喷丸处理后试样中残余应力沿层深的分布Fig.4 Residual stress distributions along the depth in the specimens after treated at different shot peening intensities

结合图2和图4还可发现,虽然2试样的抛喷丸强度要高于1试样的,但其表面及距表面0.15mm内的残余压应力反而低于1试样的,这种在较高强度抛喷丸处理后表面和近表面残余应力较低的现象在其他材料的抛喷丸强化研究中也有报道[6]。这是由于试样表面经弹丸多次撞击后发生了塑性流变,导致表层应力部分释放所致。1试样的最大残余压应力为454 MPa,位于距表面0.125mm处,残余压应力层深度约为0.5mm;2试样的最大残余压应力为539 MPa,位于距表面0.275mm处,残余压应力层深度约为0.7 mm,由此可见较高强度抛喷丸处理得到的最大残余压应力、最大残余压应力的深度以及残余压应力场的深度也较大。

3 结论

(1)经不同强度抛喷丸处理后,铝锂合金试样表面残余应力均为压应力,90°方向的残余压应力均高于0°方向的,表现出方向性;90°方向的衍射峰积分宽度均大于0°方向的,说明抛喷丸后试样在90°方向产生了更大的微应变。

(2)不同强度抛喷丸处理后试样中残余压应力均随层深的增加先增大后减小,最终转变成拉应力后趋于0;在较高强度抛喷丸处理后试样的表面和距表面0.15mm内残余压应力小于较低强度抛喷丸处理的,而最大残余压应力、最大残余压应力的深度以及残余压应力场的深度均大于较低强度抛喷丸处理的。


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