噴丸強化對2024-T351板材疲勞性能的影響

李 耀，孫漢斌

(航空工業飛機強度研究所，全尺寸飛機結構靜力∕疲勞航空科技重點實驗室，陜西 西安 710065)

1 引 言

疲勞特性是飛機結構強度重點關注的內容，采用何種工藝強化方法來改善結構的抗疲勞性能成為國內外學者研究的重點問題之一。噴丸強化工藝是一種利用高速運動的彈丸流撞擊靶材，在靶材表層發生彈塑性變形，在表層產生殘余應力，從而提高靶材的抗疲勞特性的方法，廣泛應用于航空、航天和汽車領域[1]。國內外針對噴丸強化材料疲勞特性影響進行了大量的研究工作。Klemenz應用有限元法研究了噴丸強化后材料表面的特征[2]；Liu等研究了在不同條件下噴丸強化對Mg-10Gd-3Y合金高周疲勞性能的影響[3]；Dalaei等研究了噴丸強化對珠光體微合金鋼疲勞壽命的影響[4]；柳成才利用有限元軟件研究了噴丸工藝參數對材料性能改善的影響[5]；杜東興研究了噴丸強化工藝對新型高強度鈦合金疲勞行為的影響規律[6]；馬銘等研究了噴丸強化對7A09鋁合金疲勞性能的影響[7]；王旭等研究了噴丸成形工藝對2024HDT-T351板材疲勞性能的影響[8]。

為研究噴丸強化對2024-T351鋁合金板材疲勞性能的影響，本文采用了一種單剪硬點多細節結構疲勞試驗件，開展對比試驗。通過對試驗壽命進行分布擬合對比，選定合適的分布類型。按照細節疲勞額定值(DFR)方法對試驗數據進行處理和分析，對噴丸強化工藝對2024-T351板材疲勞性能的影響效果進行分析，為噴丸強化工藝在航空領域工程應用提供依據。

2 對比試驗

2.1 試驗件

結構的抗疲勞特性研究主要是通過試驗分析方法來完成。為研究噴丸強化工藝對2024-T351板材疲勞性能的影響，本文根據某型飛機中央翼下壁板結構細節及噴丸強化工藝情況，設計了一種單剪硬點多細節DFR試驗件。試驗件在考核區進行了開孔，試驗件上表面通過高強螺栓與墊板相連，如圖1所示。試驗件分組情況見表1，兩組試驗件中影響DFR的孔填充系數A、埋頭深度系數C、材料疊層系數D、螺栓夾緊系數E、凸臺有效系數U和構件疲勞額定系數RC幾項參數均一致，僅合金表面處理系數B不同。

合理地選擇噴丸強化工藝參數，能夠顯著提高零部件中的殘余應力，有效阻止裂紋的產生和抑制裂紋的擴展，延長零件的使用壽命。本文試驗中，噴丸強化組SY2-2所采用的試驗件噴丸強化工藝需要滿足兩個技術指標，分別是噴丸強度為0.15mmA～0.2mmA和覆蓋率為100%。

圖1 試驗件示意圖

組號材料取向工藝狀態數量基準組SY2-12024-T351L-T機加6噴丸強化組SY2-22024-T351L-T機加+噴丸強化6

2.2 試驗過程

在INSTRON/50t疲勞試驗機(如圖2所示)上進行試驗。試驗件可以直接利用疲勞試驗機夾頭夾持，夾頭一端固定，一端加載。試驗件安裝時，保證加載軸線與試驗件中心重合。疲勞試驗前，每組試驗件要進行靜力應變測量，來驗證試驗載荷施加的線性度、對稱性和重復性。兩組試驗件疲勞試驗采用常幅譜進行，最大載荷均為128kN，應力比為0.06，加載頻率均為5Hz。

圖2 INSTRON/50t疲勞試驗機

2.3 試驗結果

兩組試驗件疲勞破壞形式如圖3所示，破壞部位為緊固件孔處開裂。兩組試驗件疲勞試驗結果如圖4所示。

圖3 試驗件破壞形式

圖4 疲勞試驗結果

3 結果分析

3.1 基于試驗結果的分布擬合

基于試驗結果的DFR值測定首先需要進行分布假設，國內外普遍采用的分布為對數正態分布和威布爾分布。對數正態分布廣泛應用于可靠性(概率)設計，對于疲勞相關現象以及其他應力-應變現象建模都非常有效；威布爾分布是針對故障時間建模的通用分布，最早應用于疲勞相關現象建模[9]。本文分別采用對數正態分布和雙參數威布爾分布對試驗結果數據進行分布擬合。兩種分布95%置信區間擬合結果分別如圖5、圖6所示。

(a)對數正態分布 (b)雙參數威布爾分布圖5 SY2-1試驗結果不同分布擬合

(a)對數正態分布 (b)雙參數威布爾分布圖6 SY2-2試驗結果不同分布擬合

圖5、圖6中，AD值為分布擬合檢驗中的AD統計檢驗方法，是繪制點與最佳線性擬合之間的平方差的加權和。AD值越小，分布擬合結果越好。P值為相關系數，P值大于所選顯著性水平(0.05)表示服從假設分布，反之則不服從該假設分布。P值越大，分布擬合結果越好。通過對比上述兩種分布擬合情況可得：本文中試驗件疲勞壽命較好，符合對數正態分布。

3.2 基于試驗結果的DFR值計算

DFR定義為當應力比R=0.06時，在95%置信度和95%可靠度要求下，結構能承受105次循環壽命載荷的最大應力。工程上通常采用DFR值來表征結構的抗疲勞性能。DFR值是結構細節本身固有的疲勞性能特征值，與使用的載荷無關[10]。在得到兩組試驗件的疲勞試驗壽命值后，選定合適的分布類型從而得中值壽命N50。

在得到N50的基礎上，雙95壽命N95/95(95%置信度和95%可靠度下的疲勞壽命)按下式計算：

(1)

式中，ST為試件系數，試驗中采用等幅譜時，取ST=1.3；SC為置信系數，與試驗件破壞數有關；SR為可靠性系數，對于鋁合金，取SR=2.1。

式(1)中的置信系數SC按下式計算：

SC=(31/a-lgn/a)m1/a

(2)

當Sc<1時，取Sc=1。式中，a為疲勞壽命雙參數威布爾分布的形狀參數，對于鋁合金，取a=4；m為相同細節數，本文m=6；n為子樣個數，本文n=6；

DFR值按下式計算：

(3)

式中，σm0為材料常數，對于鋁合金，取σm0=310MPa；R為疲勞試驗應力比，取R=0.06；σmax為疲勞試驗最大應力，本文取σmax=266.7MPa。

式(3)中X按照下式計算：

X=S(5-lgN95/95)

(4)

式中，S為S-N曲線的斜度參數，對于鋁合金，取S=2.0。

按照上述計算過程對疲勞試驗結果進行處理，得到每組的雙95壽命和DFR值，試驗結果與計算結果統計見表2。

表2 基于試驗結果的DFR值計算結果

3.3 基準組DFR值理論計算

基準組DFR值理論計算按照單剪硬點多細節DFR計算，計算公式如下：

DFR=DFRbase×A×B×C×D×E×U×RC

(5)

式中，DFRbase為具有數百個相似細節結構件允許使用的最小DFR值的基準值，本文取DFRbase=121；A為孔填充系數，取A=0.93；B為表面處理系數，取B=1.0；C為埋頭深度系數，取C=1；D為材料疊層厚度系數，取D=1；E為螺栓夾緊系數，取E=1.05；U為凸臺有效系數，取U=1.208；RC為構件疲勞額定系數，取RC=1.31。經計算，基準組DFR=186.98MPa。

3.4 對比分析

基準組基于試驗結果的DFR值為191.7MPa，基準組DFR理論計算值為186.98MPa，通過比較可得：基準組試驗DFR與理論值相差不大，表明試驗過程及結果可信；理論值比試驗值略小，表明理論求解DFR值偏保守。

噴丸強化組基于試驗結果的DFR值為203.4MPa，較基準組高，通過對比可得：2024-T351板材采用噴丸強化工藝后，疲勞性能相比基準組提高6%。在疲勞分析時，采用噴丸強化工藝后合金表面處理系數B可以保守取1.06。

4 結 論

本文通過對基準組與噴丸強化組試驗件進行疲勞試驗，對疲勞試驗結果進行兩種分布擬合比較，最終選定對數正態分布，然后分別計算求解，得到基于試驗結果的DFR值。通過試驗結果與理論計算結果對比、兩組試驗結果對比，得到以下結論：

(1)本文中試驗件疲勞壽命更符合對數正態分布。

(2)基準組試驗DFR與理論值相差不大，試驗過程及結果可信；基準組DFR理論值比試驗值略小，理論計算偏保守。

(3)2024-T351板材采用噴丸強化工藝后疲勞性能相比基準組提高6%。