噴丸殘余應(yīng)力對(duì)疲勞壽命的影響研究

張 帷 ，張 琪 ，王茂川 ，王 輝 ，萬元元

（1.西南技術(shù)工程研究所，重慶 400039；2.重慶市育才中學(xué)校，重慶 400050）

1 噴丸處理中關(guān)鍵工藝參數(shù)

噴丸強(qiáng)度的表征方式通常都是用零件表面受到彈丸流的沖擊動(dòng)能來表示?，F(xiàn)今SAE標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)于阿爾門試片法表征噴丸強(qiáng)度類型有明確的規(guī)定，噴丸沖擊安裝在基座試片使得塑性變形，進(jìn)而導(dǎo)致試片表面外貌凸起，或者產(chǎn)生彎曲，噴丸強(qiáng)度表示通常采用曲線的高或長。

彈丸材質(zhì)：噴丸的外形常用圓球狀，噴丸粒的外表不能出現(xiàn)棱角，盡最大程度減少金屬工件表層受到破壞。校外噴丸的大小要求匹配，硬度中等，方能使噴丸粒獲得足夠的沖擊動(dòng)能或強(qiáng)度，能夠獲得理想的殘余壓應(yīng)力。

噴射速度：噴射速度與噴丸設(shè)備的運(yùn)行壓力緊密相關(guān)，其中噴槍的噴嘴外形極大的影響著噴丸的運(yùn)行壓力。

表面覆蓋率：指的就是工件因?yàn)閲娡枇Ｔ诒砻嫠a(chǎn)生的彈痕面積和金屬工件總面積的比。

2 噴丸對(duì)鋁合金材料疲勞性能的研究

2.1 材料制備

鋁合金2024-T351航空用料是本試樣的主要材料，表1為其化學(xué)組成成分。邊缺口試樣是板材需要加工成的樣式，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)參照航空工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)邊缺口樣式進(jìn)行設(shè)計(jì)，其尺寸為長76mm，寬19mm，高2.5mm。然后在室外對(duì)加工切割以后的試樣進(jìn)行自然時(shí)效處理，這樣對(duì)于機(jī)械加工時(shí)所形成的殘余應(yīng)力有消除效果。

表1 鋁合金材料化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）

2.2 噴丸處理

通常情況下的噴丸處理都是采用離心式歐文拋丸機(jī)，葉輪直徑530mm，工作轉(zhuǎn)速2200r/min，得出其拋出彈丸的速度為61m/s。用緊固螺絲將試樣的兩邊加緊以后，然后用6061鋁合金丸、鑄鋼丸以及不銹鋼丸這些直徑不同的彈丸預(yù)加工試樣表面，需要注意的是覆蓋率是全部。從表1的板材性能以及丸粒的參數(shù)可以發(fā)現(xiàn)，試樣表面的噴丸強(qiáng)化有一層密度較大的凹陷，使得工件表面質(zhì)量發(fā)生概念，對(duì)疲勞性能產(chǎn)生很大影響。

2.3 數(shù)據(jù)分析

對(duì)比為經(jīng)過噴丸處理的樣品，樣品表面的殘余應(yīng)力場(chǎng)呈現(xiàn)出一定的梯度分布規(guī)律，并隨著噴丸強(qiáng)度的變化而變化。殘余壓應(yīng)力場(chǎng)與深度呈正相關(guān)關(guān)系，在近表面層達(dá)到最大值狀態(tài)，隨后轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚?yīng)力，表現(xiàn)出鉤型分布特征。

圖1 噴丸顆粒直徑對(duì)殘余壓應(yīng)力場(chǎng)的作用

深度分析圖1可知，當(dāng)噴丸的速率一定時(shí)，只改變噴丸的顆粒大小，可以發(fā)現(xiàn)噴丸粒的直徑增加時(shí)，噴丸的直徑也隨之增加，相應(yīng)的動(dòng)能也逐漸增加，因此試樣的殘余壓應(yīng)力也逐漸加深，與此同時(shí)，殘余壓應(yīng)力的最大值隨著噴丸粒的增加向著更深方向遷移，使得最終的曲線呈現(xiàn)出右下偏移的現(xiàn)象。

從圖2可知，改變噴丸材質(zhì)，控制其他條件一定時(shí)，可明顯發(fā)現(xiàn)密度高、硬度大的噴丸能夠使得試樣獲得較深的殘余壓應(yīng)力。典型的鋼材質(zhì)噴丸相較于鋁材質(zhì)，表面殘余壓應(yīng)力、最大值均有著不同程度的提升，也伴隨著峰值最大值想較深位置偏移。

圖2 九粒材料對(duì)殘余壓應(yīng)力場(chǎng)的影響

3 結(jié)語

噴丸殘余應(yīng)力對(duì)工件疲勞壽命的影響是多方面的，當(dāng)采用合理的噴丸處理工藝時(shí)，能夠?qū)?024鋁合金工件的疲勞性能明顯增強(qiáng)。深入分析噴丸處理的工藝參數(shù)，發(fā)現(xiàn)噴丸質(zhì)量、直徑、噴丸速度、材質(zhì)特征都是影響工件殘余壓應(yīng)力場(chǎng)的關(guān)鍵要素，同時(shí)也驗(yàn)證了殘余壓應(yīng)力強(qiáng)化機(jī)理和表面粗糙度弱化因素之間的關(guān)系。