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不同強度抛噴丸處理後鋁锂合金表面的殘余應力

文章出處:青島威尼斯人平台 編輯:pwj 發表時間::2018-04-23
摘    要:

在不同抛噴丸強度下對鋁锂合金進行了表面抛噴丸處理,采用X射線衍射法和盲孔法分析了其表面及近表層的殘余應力。結果表明:采用不同抛噴丸強度處理後試樣表面90°方向(平行噴嘴移動方向)的殘余壓應力高于0°方向(垂直噴嘴移動方向)的,90°方向的衍射峰積分寬度大于0°方向的,說明抛噴丸強化後試樣在90°方向産生了更大的微應變;試樣近表層殘余壓應力隨層深的增加先增大後減小,最終趨于0;較高強度抛噴丸處理後試樣表面和距表面0.15mm內的殘余壓應力小于較低抛噴丸強度處理的,而最大殘余壓應力、最大殘余壓應力深度以及殘余壓應力場深度均大于較低強度抛噴丸處理後的。
 

0 引言

锂是自然界密度最小的金屬,在鋁合金中每添加質量分數爲1%的锂,可使合金的密度降低3%,彈性模量提高6%。因此鋁锂合金作爲一種低密度、高彈性模量、高比強度和高比剛度的材料,已成爲新一代航空、航天材料研發的重點[1-5]。

爲了能更好地發揮金屬材料特性、提高其抗疲勞斷裂性能、延長結構件的使用壽命,工程上往往通過表面強化技術在結構件表面引入殘余壓應力。在衆多表面強化技術中,抛噴丸強化工藝因具有不受材料種類限制、不受零件幾何形狀與尺寸的局限等特點得到了廣泛研究與應用。該工藝通過高速運動的彈丸流對材料表面的沖擊,使材料表層産生加工硬化和組織細化,並伴隨彈-塑性變形而引入殘余壓應力[6-8]。

残余应力状态是评估抛喷丸工艺优劣的重要参数。常用的抛喷丸残余压应力特征参量有表面残余压应力、最大残余压应力、最大残余压应力深度和残余压应力场深度,这些参量的获取和分析均依赖于准确有效的残余应力测试技术。目前广泛应用于工业领域的残余应力测试方法主要有X射线衍射法和盲孔法。X射线衍射法具有无破坏、理论成熟等特点[9],国际通用测试标准为EN 15305-2008;盲孔法属于一种半破坏方法,具有操作简单、测量方便等特点,美国ASTM E837-08标准中新增了非均匀应力测试规范,使盲孔法测试试样不同深度的残余应力成为可能。目前,有关铝锂合金抛喷丸处理后表面残余应力分布的研究报道较少,为此,作者采用不同的抛喷丸强度对铝锂合金进行了抛喷丸处理,并分别使用X射线衍射法和盲孔法对抛喷丸后的表层残余应力进行了测试,为抛喷丸工艺参数设计与优化提供参考。

1 试样制备与试验方法

1.1 试样制备

试验材料为T8态铝锂合金板材,其化学成分如表1 所示。抛喷丸试样的尺寸为50 mm×50 mm×3mm,抛喷丸区域及残余应力测试点及测试方向如图1所示,测试点位于试样表面中心,0°方向为垂直于喷嘴水平移动方向,90°方向为平行于喷嘴水平移动方向。

表1 铝锂合金的化学成分(质量分数)Tab.1 Chemical composition of aluminum-lithium alloy (mass)    下载原表

表1 铝锂合金的化学成分(质量分数)Tab.1 Chemical composition of aluminum-lithium alloy (mass)
图1 喷丸试样尺寸及残余应力测试示意Fig.1 Size of the shot-peened specimen and schematic map of residual stress measurement

图1 抛喷丸试样尺寸及残余应力测试示意Fig.1 Size of the shot-peened specimen and schematic map of residual stress measurement   下载原图

 

選用鑄鋼彈丸在數控PW-1型幹式抛噴丸機上對合金進行抛噴丸處理,使用A型阿爾門試片測抛噴丸強度,抛噴丸工藝參數如表2所示。抛噴丸強度是評價抛噴丸強化工藝的一個非常重要的參數指標,也是確保抛噴丸處理可重複性的關鍵因素,它由彈丸類型、噴射氣壓、噴射時間、噴射距離等工藝參數共同確定。

表2 抛喷丸工艺参数Tab.2 Shot peening parameters    下载原表

表2 喷丸工艺参数Tab.2 Shot peening parameters

1.2 试验方法

依据EN 15305-2008,使用LXRD大功率X射线衍射仪测试了试样表面中心点处0°和90°方向的残余应力,工作条件为铬靶,Kα射线,波长0.154 183 8nm,衍射晶面(311),衍射角2θ 为139°,弹性常数1/2S2为19.54×10MPa。使用固定ψ0法进行测试,ψ0分别为20.5°,16.68°,11.05°,4.8°,2.91°,0°,-2.91°,-4.8°,-11.05°,-16.68°,-20.5°,每个角度曝光10次。为减少组织中粗大晶粒对测试结果的影响,测试时在每一个ψ0值再进行±3°的摆动,以增加衍射晶面数量从而得到满意的峰形。

依据ASTM E837-08,使用MTS3000型自动钻孔残余应力仪对距表面1mm范围内的残余应力进行测试,为避免在钻孔过程中产生附加应力,使用由高速气动涡轮驱动的铣刀在试样中心点钻取2mm深的盲孔,铣刀直径为1.6mm,每次钻孔步进增量为25μm,每一增量的应变读数均在稳定后读取,应变片测量圆直径8.4mm。

2 试验结果与讨论

2.1 表面残余应力

依据EN 15305-2008,残余应力X射线测试结果准确性的评价标准应该满足以下要求:(1)当X射线应力测试结果 時,測試結果的不確定度應滿足 ;(2)當X射線應力測試結果 時,測試結果的不確定度滿足 或者 ,取两者中最大值作为上限。试验测得铝锂合金表面残余应力的不确定度最大为3 MPa,满足EN 15305-2008要求。

由图2可知,抛喷丸处理前1试样在0°方向存在7 MPa的残余压应力,在90°方向存在4 MPa的残余拉应力,2试样在0°和90°方向分别存在10 MPa和1 MPa的残余拉应力;抛喷丸强化后,1和2试样表面0°方向的残余应力均为压应力,分别为171,137MPa,小于90°方向的195MPa和148MPa。随着抛喷丸强度增大,0°与90°方向的残余应力均增大。

 

图2不同强度抛喷丸处理前后试样表面0°和90°方向的残余应力Fig.2 Surface residual stresses in 0°and 90°directions of the specimens before(a)and after(b)treated at different shot peening intensities

由圖3可以看出,無論是1試樣還是2試樣,其90°方向的衍射峰積分寬度均大于0°方向的,說明試樣在90°方向産生了更大的微應變[10]。表面殘余壓應力的分布表現出方向性,其原因可能與噴射區尺寸規則性、試樣板材軋制流線方向以及噴嘴移動方向等因素有關。

 

图3不同强度抛喷丸处理后试样表面0°和90°方向的衍射峰积分宽度Fig.3 Integral breadth of diffraction peaks in 0°and 90°directions of the specimens after treated at different shot peeing intensities

2.2 残余应力分布

由图4 可知,1和2试样的残余压应力均随深度的增加先增大后减小,并分别在距表面0.5mm和0.7mm左右变成拉应力,最终在距表面0.9mm左右趋于零。高速运动的弹丸与试样表面发生撞击并传递能量的同时,试样表层也产生了塑性变形,且塑性变形从强化层外层向内逐渐减小,呈梯度分布;塑性变形的存在导致残余压应力发生松弛,使得从强化层内部到试样表面一定范围内的残余压应力逐渐减小,产生了所谓“钩型”的残余压应力场[11]。

 

图4不同强度抛喷丸处理后试样中残余应力沿层深的分布Fig.4 Residual stress distributions along the depth in the specimens after treated at different shot peening intensities

结合图2和图4还可发现,虽然2试样的抛喷丸强度要高于1试样的,但其表面及距表面0.15mm内的残余压应力反而低于1试样的,这种在较高强度抛喷丸处理后表面和近表面残余应力较低的现象在其他材料的抛喷丸强化研究中也有报道[6]。这是由于试样表面经弹丸多次撞击后发生了塑性流变,导致表层应力部分释放所致。1试样的最大残余压应力为454 MPa,位于距表面0.125mm处,残余压应力层深度约为0.5mm;2试样的最大残余压应力为539 MPa,位于距表面0.275mm处,残余压应力层深度约为0.7 mm,由此可见较高强度抛喷丸处理得到的最大残余压应力、最大残余压应力的深度以及残余压应力场的深度也较大。

3 结论

(1)經不同強度抛噴丸處理後,鋁锂合金試樣表面殘余應力均爲壓應力,90°方向的殘余壓應力均高于0°方向的,表現出方向性;90°方向的衍射峰積分寬度均大于0°方向的,說明抛噴丸後試樣在90°方向産生了更大的微應變。

(2)不同強度抛噴丸處理後試樣中殘余壓應力均隨層深的增加先增大後減小,最終轉變成拉應力後趨于0;在較高強度抛噴丸處理後試樣的表面和距表面0.15mm內殘余壓應力小于較低強度抛噴丸處理的,而最大殘余壓應力、最大殘余壓應力的深度以及殘余壓應力場的深度均大于較低強度抛噴丸處理的。


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