超聲波噴丸覆蓋率對AA2024疲勞性能的影響*

史學剛 薛建剛 張 雷

(南京航空航天大學機電學院，江蘇南京 210016)

AA2024是超硬鋁合金，具有高比強度和比剛度、較好的耐腐蝕性和較高的韌性等優點，是航空航天、兵器、交通運輸等行業最重要的結構材料之一［1］。實際使用中的AA2024零部件絕大部分承受交變載荷的作用，表面層承受的交變應力最大且易受外界環境的影響，表面層往往就成為了裂紋的棲息之地。為了防止或減少表面層裂紋的萌生和擴展，工程上往往采用表面改性技術來改善材料的使用性能。

超聲波噴丸是近年來提出的一種新型表面改性方法，它利用大功率的超聲波推動沖擊工具以每秒二萬次以上的頻率沖擊金屬物體表面，由于超聲波的高頻、高效和聚焦下的大能量，使金屬表層產生劇烈的塑性變形［2］。同時在噴丸區域呈現高密度位錯和有益的殘余壓應力分布，從而能夠顯著提高零部件的強度及疲勞壽命。超聲波噴丸作為一種節能、綠色、先進的新型技術，在航空航天、汽車等領域中有著廣泛的應用。

覆蓋率是噴丸的重要參數。國外研究學者已經非常重視覆蓋率對疲勞性能的影響，相關國防報告［3］報道了噴丸覆蓋率對4340鋼常溫抗拉疲勞性能影響。然而在我國，目前還沒有文獻專門對超聲波噴丸覆蓋率進行深入的研究;在工程應用中，雖然已經肯定了100%覆蓋率對噴丸效果的影響，但是覆蓋率高于100%時的噴丸效果卻還沒有定性的結論。實際上，不同的覆蓋率噴丸對表面完整性及疲勞壽命有很大影響。因此，很有必要開展超聲波噴丸覆蓋率對鋁合金高周疲勞性能的影響研究。以AA2024為研究對象，開展了超聲波噴丸對于鋁合金表面完整性和疲勞壽命影響的研究，分析了覆蓋率(100%、200%、300%)對AA2024高周疲勞性能的影響。

1 試驗條件

1.1 試驗設備

采用由南京航空航天大學自主研制的超聲波噴丸裝置(如圖 1所示)進行超聲波噴丸試驗［4］;采用TR101袖珍式表面粗糙度儀測定超聲波噴丸后試樣的表面粗糙度Ra值;采用MVC－1000A1型顯微硬度計對超聲波噴丸后沿深度方向的顯微硬度進行測量，載荷選擇200 g，載荷時間為15 s;采用MSF－3M型X射線衍射殘余應力測試儀，使用交相關定峰法進行了殘余應力場測試和衍射峰半高寬分析;采用PLG－100C型高頻疲勞試驗機，測量未噴丸試樣和不同超聲波噴丸覆蓋率試樣的橫幅軸向應力拉－拉疲勞性能。

1.2 試驗材料

試驗材料采用AA2024。室溫20℃下的力學性能如下:抗拉強度 σb為 470 MPa，屈服強度 σ0.2為 325 MPa，伸長率δ為10%，顯微硬度為170 HV，彈性模量E為68 GPa，密度ρ為2 770 kg/m3。熱處理方式為固溶處理加自然時效處理。

1.3 試驗方法

試驗前對AA2024試樣表面進行機械拋光處理，以獲得光潔平整的表面，然后采用超聲波噴丸裝置對試樣進行雙面噴丸以保持試樣的平整。超聲波噴丸采用3種不同的規范，分別記為A、B和C，其工藝參數如表1所示。

表1 AA2024超聲波噴丸工藝參數

2 試驗結果

2.1 表面粗糙度

超聲波噴丸后的表面粗糙度分布如圖2所示。從圖中可以看出，超聲波噴丸處理后試樣的表面粗糙度值明顯增大，最大接近2 μm，粗糙度值隨著噴丸覆蓋率的增大而略有減小。研究表明，粗糙的表面會引起明顯的載荷應力集中，影響到材料的疲勞壽命［5］。因此，可以通過提高覆蓋率來減小試樣的表面粗糙度值。

2.2 顯微硬度

顯微硬度沿層深分布如圖3所示。從圖中可以看出，超聲波噴丸后試樣表面及沿層深的顯微硬度得到明顯提高，且隨覆蓋率的增大而提高，未噴丸試樣沿層深的顯微硬度值基本趨于一致。同一覆蓋率下，試樣顯微硬度隨深度的增加而下降，之后趨于平緩。

2.3 殘余應力場

超聲波噴丸產生的殘余應力大小及殘余應力的分布對于疲勞性能具有較大的影響。超聲波噴丸后的殘余應力場如圖4所示。隨著覆蓋率的增加，表面殘余壓應力和最大殘余壓應力均有所增大。經過不同表面覆蓋率噴丸后，殘余壓應力在深度120 μm左右達到最大值。噴丸覆蓋率達到300%時，最大殘余壓應力達到－293.5 MPa，相比之下，覆蓋率為100%和200%時，最大殘余壓應力分別為－252.3 MPa和－281.2 MPa。另一方面，噴丸覆蓋率達到100%時，殘余壓應力場深度僅為300 μm;覆蓋率達到200%和300%時，殘余壓應力場深度在350～400 μm之間。

2.4 半高寬

X射線衍射峰半高寬(FWHM)指的是衍射峰最大強度1/2處所占的角度范圍。在儀器固定的情況下，半高寬反映了材料冷作硬化程度、微觀殘余應力的大小以及晶體內部位錯密度的高低［6］。

圖5是經過不同覆蓋率噴丸后，半高寬隨深度的變化趨勢。與未噴丸試樣相比，超聲波噴丸后試樣的半高寬顯著增大，表面半高寬值隨覆蓋率的增大而增大，半高寬值隨著深度增加而減小。當深度超過125 μm時，半高寬值基本不變，與殘余壓應力場深度(300 μm左右)相比，超聲波噴丸對半高寬影響層深度要小很多。對于超聲波噴丸，半高寬變化的主要原因是由于冷作硬化程度上升以及位錯增殖。半高寬數值的增大是冷作硬化的體現，隨著覆蓋率的增加，循環塑性形變次數增加，冷作硬化加劇。

2.5 高周疲勞壽命

覆蓋率對疲勞壽命的影響如圖6所示。經過不同覆蓋率的超聲波噴丸之后，AA2024的高周疲勞壽命明顯增加。未噴丸試樣的疲勞壽命在8×105次左右，而進行100%、200%和300%覆蓋率超聲波噴丸后，AA2024 高周疲勞壽命分別達到1.5×106、3.2 ×106和4.3×106次，其中，以300%覆蓋率噴丸后壽命增益最為明顯，比未噴丸的原始試樣提高了5倍以上。

3 分析和討論

通過疲勞試驗可以發現:超聲波噴丸的覆蓋率對AA2024的疲勞性能有很大影響，而疲勞性能則是表面完整性的綜合表現，超聲波噴丸對于表面完整性的影響主要包括3個方面:(1)殘余應力場;(2)微觀組織;(3)表面粗糙度。

(1)超聲波噴丸可以在試樣表面層引入數值深度均較大的殘余壓應力場，該殘余壓應力場起到了重要的抗疲勞作用。較大的殘余壓應力既可以抵抗外部交變應力，還能抑制疲勞裂紋的萌生;較深的殘余壓應力場能夠阻止裂紋在較深范圍內的擴展［7］。因此，超聲波噴丸可以明顯提高AA2024的疲勞抗力。采用不同覆蓋率噴丸，得到的殘余應力分布也不同，而噴丸覆蓋率存在一個優化值，利用這個優化值進行噴丸，可以獲得最佳的殘余壓應力場分布。因此，選擇優化的覆蓋率可以顯著提高試樣的表面完整性及疲勞性能。

(2)超聲波噴丸對微觀組織的影響是提高疲勞壽命的另一種重要的作用，在交變載荷的作用下，位錯密度較大的冷作硬化組織可以增大裂紋擴展的激活能，阻礙裂紋擴展，提高疲勞壽命。半高寬主要反映了表面冷作硬化程度和位錯密度，冷作硬化程度越高，位錯密度越大，半高寬寬化越強烈、數值越大。與未噴丸試樣相比，超聲波噴丸后試樣的位錯密度和冷作硬化程度明顯上升，可以阻礙裂紋擴展，提高疲勞壽命。

(3)超聲波噴丸后試樣的表面粗糙度值增大，而較粗糙的表面容易引起應力集中，而應力集中是疲勞裂紋萌生的主要原因，應力集中越強烈，裂紋萌生時間越短［8］;應力集中還造成了最大殘余壓應力值下降，削弱了殘余壓應力的作用［5］，甚至影響到材料的疲勞壽命。然而，分析超聲波噴丸對于表面應力集中的影響，不能簡單地認為噴丸帶來的表面粗糙加大會對表面完整性以及疲勞性能有不利的影響，還應考慮噴丸后凹坑的曲率半徑較大對于表面完整性和疲勞性能的積極作用。

4 結語

(1)超聲波噴丸覆蓋率對AA2024的疲勞性能有重要的影響，采用300%覆蓋率噴丸時，AA2024的疲勞壽命提高了5倍左右，而100%和200%覆蓋率下的疲勞壽命則分別提高了2倍和4倍。

(2)不同的超聲波噴丸覆蓋率造成鋁合金疲勞性能差別的主要原因是由于形成的表面完整性狀態(表面粗糙度、顯微硬度、殘余應力場和微觀組織)的差異。采用300%覆蓋率噴丸，可以使AA2024保持較小的表面粗糙度值(Ra1.6 μm)，較高的顯微硬度，較好的殘余應力分布和穩定的強化層微觀組織，因此，經過300%覆蓋率噴丸后AA2024的疲勞性能較好。

［1］李亭.2024鋁合金攪拌摩擦焊研究［D］.北京:清華大學，2007.

［2］劉海英.超聲噴丸強化機理的研究［D］.太原:太原理工大學，2008.

［3］Gao Yukui，Li Xiangbin，Yang Qingxiang.Influence of surface integrity on fatigue strength of 40CrNi2Si2MoVA steel［J］.Material letters，2007，61:466－46.

［4］高琳.高能超聲波噴丸板料成形技術研究［D］.南京:南京航空航天大學，2012.

［5］李金魁，姚枚，王仁智，等.噴丸強化的綜合效應理論［J］.航空學報，1992，13(11):670 －677.

［6］王欣，蔡建明，王強，等.噴丸表面覆蓋率對Ti60高溫鈦合金疲勞性能的影響［J］.中國表面工程，2011，24(5):58 －63.

［7］陳勃，高玉魁，吳學仁，等.噴丸強化7475－T351鋁合金的小裂紋行為和壽命預測［J］.航空材料學報，2010，31(3):519 －525.

［8］王欣，王強，宋穎剛，等.陶瓷丸噴丸對2124鋁合金疲勞性能的影響［J］.材料保護，2011(9).