7075鋁合金剛柔耦合結構表面疲勞性能探究

張繼林,王棟梁,易湘斌

(蘭州工業學院 a.甘肅省精密加工技術及裝備工程研究中心; b.甘肅省高校綠色切削加工技術及其應用省級重點實驗室,甘肅 蘭州 730050)

7075鋁合金具有不易腐蝕、比強度高、彎曲應力低、無磁性等特點,在超深井、定向井等工程中有著廣泛的應用前景[1]。我國對油氣開采的要求越來越高,如深井、超深井等,使得鉆探工作變得更加困難,導致鉆進故障頻發,其中鉆具的疲勞破壞率超過80%。現有研究多通過對合金成分、微觀結構的調控、對鉆柱的熱處理和對其表面的擠出織構等手段來提升其機械性能,但存在裝備和技術難度大、生產成本高等問題[2]。所以,在今后的發展中,降低材料的價格、提高材料的使用壽命是一種有效的方法。激光沖擊強化技術(LSP)是利用高能量、窄脈沖激光對被加工零件進行高速塑性加工,增加零件的位錯濃度和殘余壓應力,進而改善零件的疲勞性能[3-4]。在此基礎上,提出了激光沖擊強化技術,以改善鋁合金鉆桿的疲勞性能。本文采用LSP對7075鋁合金在不同激光功率密度下的疲勞強度進行分析,探究激光功率密度對7075鋁合金殘余應力和疲勞性能的影響。

1 試驗方案

1.1 材料

研究采用7075鋁合金板材(化學成分見表1),厚4 mm,拉伸強度498 MPa,屈服強度419 MPa。

表1 7075鋁合金化學成分 w/%

1.2 設備和方法

1.2.1 LPS設備和方法

將50 μm厚的黑膠帶粘貼在樣品要沖擊的表面上,以1 m的水流形成約束層。采用LSP,選取波長為1 064 nm的激光,實施方法為正、反交叉式地對7075鋁合金進行LSP。結果得出:脈寬為5 ns、離焦量0、激光光斑50 μm、激光功率密度7.13～10.19 GW/cm2。其中LSP增強2次,詳見圖1。

圖1 7075鋁合金LSP示意

1.2.2 疲勞試驗設備和方法

以《GB/T3075—1982 金屬軸向疲勞試驗方法》中拉伸-疲勞性測試為標準,對樣品表面進行拋光,然后對樣品進行LSP處理,樣品大小如圖2所示。在22～27 ℃、90～110 Hz加載頻率范圍內進行疲勞試驗。

圖2 7075鋁合金疲勞試樣尺寸(單位:mm)

1.2.3 表征設備與方法

采用粗糙度儀測量檢測7075鋁合金表面粗糙度,在X、Y兩個方向取值共3次,選取平均值[5]。采用殘余應力測量儀檢測7075鋁合金殘余應力,在X、Y兩個方向取值共3次,選取平均值。采用SU8018掃描電鏡(SEM)研究鋁合金的微觀結構。

2 試驗結果與分析

2.1 粗糙度測試結果與分析

試驗結果表明:材料的疲勞性能與粗糙度呈正比;經不同激光功率密度處理7075鋁合金,得到了其表層形貌的變化情況,在進行激光撞擊試驗前,試樣的X和Y方向的粗糙度Ra都達到了0.08 μm。在激光能量強度為7.13 GW/cm2時,試樣X方向上的粗糙度為0.32 μm,Y方向的粗糙度達到0.38 μm,X方向較之前提高了300%,Y方向較之前提高了375%;在不同的激光功率密度下,樣品表面的粗糙程度隨功率密度的提高而不斷提高,當激光功率密度分別為8.15、9.17、10.19 GW/cm2時,較7.13、8.15、9.17 GW/cm2相比,X方向分別增加了25%、17.5%、25.53%,Y方向分別增加了10.5%、16.67%、18.49%,均呈上升趨勢。激光沖擊處理后,樣品表面出現大量等離子體,導致樣品表面出現大量的凹坑、皺褶,使得樣品表面出現較大的凹凸不平,粗糙度隨著增加。隨著功率密度的增加,等離子體爆炸波的強度也會隨之增加,從而使樣品表面出現更多的塑性變形和更多的粗糙度。

圖3 LSP前后7075鋁合金表面粗糙度

2.2 殘余應力測試結果與分析

在鋁合金材料的疲勞性能中,隨著壓縮應力的增大,材料的抗疲勞能力也會隨之提高。7075鋁合金在不同功率密度下,其表層的殘余應力呈現出明顯的變化趨勢,詳見圖4。

圖4 LSP前后7075鋁合金表面的殘余應力

在進行激光撞擊試驗前,對試樣進行了X向和Y向的平均殘余應力檢測,分別為-5.33 MPa和-5.67 MPa。在7.13 GW/cm2的功率密度下,試樣X向和Y向的平均殘余應力分別為-165.33 MPa和-148.67 MPa;隨著功率密度的增加,薄膜的平均殘余應力逐漸增加,在激光功率密度為8.15、9.17、10.19 GW/cm2的情況下,X方向分別增加了19.76%、24.24%、1.63%,Y方向分別增加了39.23%、19.48%、0。在強流脈沖下,金屬表面發生了許多塑性變形,并在其表層生成大量的位錯,引起點陣的扭曲,導致其表層出現大量的壓縮殘留應力。當激光功率較大時,等離子體激波的瞬間沖擊力較強,且發生較大的塑性形變,使殘余壓縮應力升高[6]。

2.3 疲勞測試結果與分析

在260 MPa的功率密度下,在各種功率密度條件下的疲勞周期如圖5所示。經激光沖擊處理后,各樣品的疲勞周期均有所增大。由圖5可以看出:在7.13 GW/cm2的激光功率密度下,試樣的平均疲勞周期為68 568次,較之前提高了107.62%;在激光功率密度達到8.15、9.17、10.19 GW/cm2的條件下,樣品的疲勞壽命隨功率密度的提高而提高36.07%,29.19%,1.39%。經激光沖擊后,材料的疲勞壽命比未經處理材料延長1倍以上,顯示出較大的殘余壓應力,顯著地延長了材料的疲勞壽命。激光沖擊加工時的殘余壓縮壓力和由表面粗糙度導致的應力集中區域存在迭加作用[7]。

圖5 LSP前后7075鋁合金的疲勞循環次數

LSP過程中的產生的殘余壓應力與表面粗糙度引起的應力集中區具有疊加效應,如圖6所示。圖中,σrs為LSP后形成的殘余壓應力;σes為試樣在無應力集中的理想條件下所承受的拉應力。

圖6 LSP后缺口應力疊加

在此基礎上,提出了一種新的基于裂紋擴展效應的新方法,即裂紋尖端的最大應力與名義應力之間的比值。鋁的表面粗糙度和應力集中系數之間的關系為

(1)

式中:n表示應力狀態,即剪切狀態時n=1,拉伸狀態時n=2;p為凹槽輪廓半徑;a、b為修正系數;λ為凹槽之間的高度差和距離比值。

λ=Δl/Δh.

(2)

A區域內,應力集中系數Kt與微裂紋處的應力集中系數KtA存在一定關聯性,即

(3)

當σrs大于Ktσes時,疲勞性能提高,提示殘余壓應力可緩解粗糙度造成的影響。

本文以7075鋁合金為研究對象,采用 SEM技術,對其進行了激光沖擊試驗,并對其進行斷口分析。從斷面觀察,各樣品都表現出一種具有明顯的“河水”性質的類解理斷口形貌,并將其劃分為疲勞源區、疲勞裂紋擴展區域以及疲勞裂紋擴展區域。疲勞裂縫擴展范圍的尺寸可以在某種程度上直接反映出材料的疲勞強度。沒有進行 LSP的樣品在疲勞測試后出現了最小的擴展,其中以10.19 GW/cm2的能量密度最大。從試樣斷裂處的擴展區域來看,激光沖擊處理能夠顯著提高鋁合金的疲勞強度。

LSP前后7075鋁合金疲勞裂紋擴展見圖7,可以看出:在激光沖擊之前,從鋁合金的表層開始產生裂紋,沿晶界處開始蔓延后斷裂;在LPS后,晶格發生變形后產生殘余壓應力σes,σes促使局部裂源處封閉,從而增加了其可承載的最大拉應力,從而延緩了其開裂的發生,并在此過程中產生了殘余壓應力。此外,激光沖擊處理還可以使材料表面的組織變得更細,并能有效地抑制材料的開裂擴展,從而使材料的疲勞性能得到改善。

圖7 LSP前后7075鋁合金疲勞裂紋擴展

2.4 失效機制

剛柔耦合結構經激光沖擊后,其疲勞性能明顯提高,且具有很強的離散度,這與其疲勞破壞機理有很大關系。疲勞源區處于輻射型疲勞溝線中央,輻射型疲勞溝線所在部位是裂縫的穩定性擴展范圍,一般比較平滑、平坦[8]。熔焊過程中最普遍的一種金屬孔洞類型,其產生機制主要有:溶解于高溫熔池中的氫氣和氮氣,在焊縫凝固時因氣體的溶解度突然下降,來不及逸出而殘留在焊縫中;冶金反應過程產生不溶于金屬的氣體如一氧化碳;低熔點、高蒸汽壓的合金元素蒸發。

在工程實踐中,為了去除焊接殘余高度及焊趾等缺陷,必須對其進行磨拋加工,該過程會導致材料亞表層的氣孔暴露在外,形成自然切口,導致其在疲勞加載下出現劇烈的應力集中并誘發開裂。

同時,由于殘余壓應力的作用,使微裂紋的萌生和擴展的驅動力減弱,從而使其疲勞開裂的時間大大增加。由于殘余壓力場的存在,導致了裂紋的起裂部位從表層向亞表層轉移[9]。

另外,循環加載時,表面組織會變細,從而降低非均勻滑移,從而增加疲勞性能。試驗結果表明,激光沖擊可以有效地提高焊接頭的抗疲勞性能。其產生的主要原因是:從強應力集中的表層缺陷向亞表層的缺陷或顯微組織轉變,其開裂過程呈現出多樣化、無序化的特征,從而造成了焊接過程中的裂紋成核時間顯著不同,從而造成了很大的疲勞性能頻散。

3 結論

1) 激光沖擊處理后,材料的表面出現了明顯的塑性變化,其表面粗糙程度提高了300%,且其形貌隨激光能量強度的提高而不斷增加。

2) 在強激光場作用下,晶體內和晶體之間的位錯分布增多,晶體中的點陣出現扭曲,從而導致殘余壓縮應力;并且,在提高功率密度為10.19 GW/cm2時,殘余壓力不再上升。

3) 激光沖擊處理后,由于激光沖擊作用產生的殘余壓應力以及組織的細小顆粒對材料的抗疲勞性能有正面作用,其疲勞性能提高了107.62%,并顯著增大了開裂區域。