噴丸強化對2XXX鋁合金疲勞壽命的影響

周 松，謝里陽，回 麗，張嘯塵，許 良

（1東北大學 機械工程與自動化學院，沈陽110004；（2沈陽航空航天大學 航空制造工藝數字化國防重點學科實驗室，沈陽110136）

航空2XXX鋁合金由于強度高、質量輕、韌性好、切削加工性能好等特性，可以滿足飛機結構安全設計、經濟等方面的要求，是目前飛機上的主要結構材料。但是，飛機在實際服役過程中由于經常受到潮濕空氣，SO2和鹽霧等腐蝕環境而導致其發生失效事故，主要表現為疲勞斷裂和應力腐蝕開裂等［1］。因此，在實際應用中，通過表面強化處理來提高材料的應力腐蝕抗力和疲勞性能顯得尤為重要。工程上有多種表面強化工藝，如表面噴丸強化、表面化學熱處理、表面冷作變形、表面離子注入、表面激光處理等，其中表面噴丸強化在工程中應用最廣泛，它具有設備簡單、操作方便、節能省時、成本低廉、效果顯著、適應面廣等優點［2－5］。國內外許多學者關于噴丸強化對材料疲勞性能等方面的影響做了大量的研究，Rodopoulos等［6］研究了噴丸工藝對鋁合金高、低周疲勞壽命與裂紋擴展速率的影響，并使疲勞性能達到最優。Kazuyuki［7］對比了采用細粒噴丸與傳統噴丸工藝試樣裂紋萌生部位的不同，研究細粒噴丸對鋁合金增壽的影響。GAO等［8］研究噴丸強化對7475鋁合金小裂紋擴展行為的影響，并基于小裂紋理論的裂紋閉合效應對含殘余應力的材料進行壽命預測。Dalaei等［9］研究了噴丸強化對珠光體微合金鋼疲勞壽命的影響，較低的塑性應變振幅提高了使用壽命，從小塑性應變振幅中發現噴丸處理后疲勞壽命可以提高10倍以上。Liu等［10］研究了4種噴丸強化工藝對Mg－10Gd－3Y合金高周疲勞性能的影響，結果表明，對于Mg－10Gd－3Y合金，噴丸處理能引起不同程度的疲勞性能的增強。Klemenz等［11］和Mylonas等［12］應用有限元法研究了噴丸強化過程以及殘余應力，表面粗糙度和噴丸強化后材料表面的特征，建立了三維數值模型，預測了殘余應力，并通過實驗測量驗證了計算結果，證明了所建立的模型對特殊機械表面處理的適用性。由研究結果可知，試樣經過噴丸后，殘余壓應力提高，位錯密度增大，從而使裂紋擴展的動力降低及裂紋萌生位置發生改變。

目前，采用表面強化來改善表面完整性方面的研究幾乎都是關于材料鋼［3，13］和鈦合金［14，15］的，對于鋁合金的報道較少。本工作選用2XXX鋁合金材料為研究對象，對噴丸強化和未噴丸中心帶孔試樣進行微觀組織分析、顯微硬度測試、殘余應力測定和拉－拉疲勞實驗研究，并在室溫下用電子掃描顯微分析儀觀察疲勞斷口形貌并確定疲勞裂紋源位置。

1 實驗

1.1 實驗材料

2XXX鋁合金厚板的化學成分如表1所示。抗拉強度σb＝482MPa，屈服強度σp0.2＝354MPa，伸長率δ＝16.36%，彈性模量E＝68GPa。在母材上截取如圖1所示疲勞試樣，尺寸為300mm×40mm×8mm，然后對其進行磨削加工。

表1 2XXX鋁合金的化學成分（質量分數／%）Table1 Chemical composition of 2XXX aluminum alloy（mass fraction／%）

圖1 疲勞試樣示意圖Fig.1 Diagram of the fatigue specimen

1.2 試樣噴丸處理

使用氣動設備對原始疲勞試樣進行雙面噴丸處理。鑄鋼彈丸直徑為φ0.5mm，噴丸覆蓋率為100%，噴丸強度為0.2mm。

1.3 實驗方法

疲勞對比實驗中使用未噴丸和噴丸試樣各10件。在MTS 810－100KN電液伺服材料疲勞試驗機上進行實驗，其靜態拉向示值相對誤差為±0.20%，動態拉向示值相對誤差為±1.86%（試驗機滿足HB5287的要求）。疲勞實驗按照 HB 5287—1996《金屬材料軸向加載疲勞實驗方法》進行，實驗環境：空氣，實驗室溫度為（15±10）℃，濕度為RH＜50%，加載頻率為10Hz，加載波形為正弦波，最大應力145MPa，應力比為0.06。

用線切割方法，在圖1所示A位置切取10mm×10mm×8mm的試樣進行顯微組織分析。使用GX51型金相顯微鏡觀察噴完后材料微觀組織；用HVS－1000A型數顯顯微硬度計測試試樣的顯微硬度；用KYKY－2800B型掃描電鏡觀察試樣的表面形貌；用TR240便攜式粗糙度測試儀測量噴丸前后試樣表面粗糙度。對不同狀態疲勞試樣各取3個進行表面殘余應力測試，測試用儀器為X－350A型X射線應力測定儀，測試條件為CoKα靶材，（311）衍射晶面，側傾角為0～45°，X射線管電流為6.0mA，電壓為22kV，準直管直徑為φ2mm。

2 結果與討論

2.1 表面粗糙度、表面形貌和顯微硬度

TR240測試結果：未噴丸試樣的表面粗糙度Ra為0.6～1.7μm，噴丸試樣的表面粗糙度Ra為7.1～7.8μm。噴丸和未噴丸試樣的表面形貌如圖2所示。可以看出，噴丸后試樣表面形成大小不均勻的壓坑，大壓坑直徑約為500μm，小壓坑直徑約為100μm，且大小壓坑存在重疊連接現象。由圖2和粗糙度測試結果可知，未噴丸試樣的表面粗糙度Ra平均值較小，為1.2μm，其表面較為平整；而噴丸后的試樣表面粗糙度Ra平均值比較大，為7.5μm，是未噴丸試樣表面粗糙度的6.25倍。

圖2 未噴丸（a）和噴丸（b）試樣的表面形貌Fig.2 Surface morphologies of unpeened specimen（a）and shot peened specimen（b）

噴丸和未噴丸試樣的表面微觀組織如圖3所示。可以看出，未噴丸試樣（磨削加工）邊緣平整，而經噴丸強化后，試樣的邊緣被壓縮，約有20μm的變形層，邊緣晶粒產生滑移，有些被壓痕隔成兩段，但晶界連續，未發生再結晶。

圖3 未噴丸（a）和噴丸（b）試樣的表面微觀組織Fig.3 Surface microstructures of unpeened specimen（a）and shot peened specimen（b）

利用HVS－1000A數顯顯微硬度計對噴丸和未噴丸試樣的顯微硬度進行測量，2XXX鋁合金未噴丸試樣的平均硬度為138HV，經過噴丸后試樣的平均硬度為154HV，是未噴丸試樣的1.12倍，這說明噴丸強化對試樣表層材料有硬化作用。這是由于噴丸強化后2XXX鋁合金表層發生塑性形變，致使表層晶粒產生滑移，增加了亞晶粒內位錯密度（即表層晶粒的形狀和位置發生了變化），從而提高了表面硬度。

2.2 殘余應力分析

由于試樣在拉－拉疲勞載荷作用下，其試樣開孔部位所受應力最大（開孔部位應力集中系數最大），而疲勞裂紋往往在應力最大集中處萌生。分別對噴丸與未噴丸疲勞試樣在該處（孔的表面）的表面殘余應力進行了測試。未噴丸試樣的表面殘余壓應力平均值為41MPa，噴丸試樣的表面殘余壓應力平均值為158MPa，是未噴丸的3.85倍。這主要是由于經過噴丸后試樣的表面產生了塑形變形（約20μm），致使表面晶粒滑移和位錯密度增加，從而增加了試樣的表面殘余壓應力。

2.3 疲勞壽命分析

分別對噴丸與未噴丸試樣進行拉－拉疲勞實驗，結果如表2所示。可知，所有有效試樣均在預制損傷處斷裂。

通常鋁合金材料疲勞性能觀測值服從正態分布規律。圖4為試樣的疲勞壽命分布概率密度圖。可以看出，未噴丸試樣的疲勞壽命分布密度函數曲線窄而高，而噴丸后的試樣疲勞壽命分布密度函數曲線則寬而低，且噴丸后的曲線在未噴丸的右邊，說明噴丸強化后試樣的壽命普遍高于未噴丸試樣，未噴丸試樣的壽命相比噴丸的要集中。

表2 噴丸和未噴丸試樣的疲勞實驗結果Table2 Results of the fatigue experiments of shot peened specimen and unpeened specimen

圖4 試樣的疲勞壽命分布概率密度圖Fig.4 The life probability density function distribution of specimens

根據表2數據及式（1）～（4）分別計算噴丸和未噴丸子樣的平均值、標準差s、方差s2和子樣變異系數Cv。

式中：Ni為試樣的疲勞壽命；xi為對數疲勞壽命；N50為中值疲勞壽命；n為樣本個數。

噴丸 試 樣：n1＝10，1＝5.47336，s21＝0.005701，s1＝0.07551，Cv1＝0.013795，N50＝297413。

未噴丸試樣：n1＝10，2＝5.25097，s22＝0.003134，s2＝0.05599，Cv2＝0.010662，N50＝178226。

可知，噴丸的中值疲勞壽命是未噴丸的1.67倍。

若取置信度γ＝95%，存活率P＝99.9%，誤差限度σmax＝5%，則由最少觀測值個數表查得噴丸試樣和未噴丸試樣至少需要5個觀測值。本實驗各取得10個數據，表明觀測值個數已足夠。

取存活率（可靠度）為99.9%，對應99.9%可靠度的標準正態分布偏量up＝－3.090，則

根據式（6），（7）計算，可得99.9%的存活率、95%的置信度、相對誤差不超過±5%下噴丸及未噴丸的安全壽命：

可知，在99.9%存活率下，噴丸試樣的安全壽命是未噴丸試樣的1.45倍。

2.4 疲勞斷口分析

疲勞斷裂試樣的斷口分析如圖5所示。未噴丸斷裂的所有試樣，其疲勞裂紋源多數為一個（圖5（a）），有兩個試樣的疲勞源為兩個，經過噴丸強化后疲勞裂紋源為單源（圖5（b）），兩種試樣的疲勞源都位于表面缺口最大應力集中處。由圖5可知，疲勞裂紋呈扇形，由疲勞源處向兩邊呈一定角度擴展，最后導致斷裂，缺口根部區域的疲勞斷面上多呈滑移解理特征，疲勞條紋很少（圖5（a－1），（a－2），（b－1），（b－2）），滑移解理區沿裂紋走向呈細小條狀，進一步觀察發現，沿拉長晶界多有垂直于主裂紋面走向的二次裂紋，某些部位尚有顯微孔洞。

圖5 試樣疲勞斷口SEM圖（a）未噴丸試樣；（b）噴丸試樣；（1）左側疲勞源；（2）右側疲勞源Fig.5 Fatigue fracture surfaces images of specimens by SEM（a）unpeened specimen；（b）peened specimen；（1）left fatigue source；（2）right fatigue source

噴丸能提高鋁合金疲勞壽命的主要原因是，鋁合金表面噴丸后產生的塑形變形導致材料表面殘余壓應力，硬度的提高以及位錯密度增大。當零件表面上已存在某種損傷，缺陷或微裂紋時，在疲勞拉－拉應力作用下，這種損傷、缺陷和微裂紋很有可能成為裂紋源，但只有當外加最大拉應力在裂紋尖端引起的應力強度幅值大于或等于材料本身的臨界應力強度幅值時，裂紋才開始擴展。而噴丸強化引入的殘余壓應力使得外加拉應力與殘余壓應力疊加合成的最大“有效拉應力”降低，即間接提高了材料本身疲勞裂紋萌生的臨界應力強度幅值，而且能使零件承受的最大“有效拉應力”由表面移至次表面。因此，零件表面經過噴丸強化處理后所產生的殘余壓應力致使疲勞裂紋源萌生于次表面，當拉應力幅值小于殘余壓應力時（即最大有效拉應力為負值），零件表面處于壓應力狀態；當拉應力水平低于材料的疲勞強度極限時，零件所處的這種應力狀態將阻礙表面疲勞裂紋源的萌生，延長疲勞裂紋源的萌生期，提高零件的疲勞壽命。

3 結論

（1）噴丸強化后試樣與未噴丸試樣相比，表面粗糙度是未噴丸試樣的6.25倍，顯微硬度是未噴丸試樣的1.12倍，殘余壓應力是未噴丸試樣的3.85倍。

（2）噴丸能提高鋁合金試樣的疲勞壽命，其中值疲勞壽命是未噴丸的1.67倍，主要原因是殘余壓應力的提高和位錯密度的增大。

（3）在99.9%存活率下，噴丸的安全壽命是未噴丸的1.45倍。

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