振動(dòng)時(shí)效對(duì)結(jié)構(gòu)件材料表面完整性的影響*

高自成， 余 田， 廖 凱， 閔淑輝， 李立君， 湯小紅

(中南林業(yè)科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 長(zhǎng)沙，410004)

引 言

現(xiàn)代機(jī)械制造業(yè)的發(fā)展使得零件逐步小型化、精密化，對(duì)小型零件尺寸穩(wěn)定性要求越來(lái)越高[1]。7075高強(qiáng)度鋁合金薄壁框架件具有比強(qiáng)度高、相對(duì)重量輕等特點(diǎn)，滿(mǎn)足了現(xiàn)代航空追求輕量化和整體化的需求，但由于其本身材料特性、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及生產(chǎn)加工過(guò)程中帶來(lái)的殘余應(yīng)力，使得其形狀具有不穩(wěn)定性[2-3]。振動(dòng)時(shí)效(VSR)在松弛殘余應(yīng)力方面具有高效、節(jié)能、環(huán)保及適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在機(jī)械零配件生產(chǎn)及加工過(guò)程中逐步取代以往的時(shí)效方式，優(yōu)化零件力學(xué)性能[4-6]。振動(dòng)時(shí)效處理焊接件應(yīng)力集中區(qū)域效果極好[7-10]，但由于小型結(jié)構(gòu)件質(zhì)量小，固有頻率高，傳統(tǒng)的振動(dòng)方法效率低，甚至?xí)茐臉?gòu)件尺寸。因此，可采用振動(dòng)平臺(tái)集中處理法，即將多個(gè)結(jié)構(gòu)件裝夾在振動(dòng)平臺(tái)上，利用平臺(tái)低頻共振時(shí)產(chǎn)生的激振能傳遞到構(gòu)件表面，在不破壞零件形狀的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)殘余應(yīng)力釋放。

目前，振動(dòng)時(shí)效研究集中在焊接件或大型結(jié)構(gòu)件。Walker等[11]對(duì)冷軋鋼的VSR處理建立了數(shù)學(xué)模型，并且實(shí)驗(yàn)證明VSR降低殘余應(yīng)力峰值達(dá)到了40%，進(jìn)而提出了應(yīng)力釋放過(guò)程是一種微觀的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)。國(guó)內(nèi)外學(xué)者[12-14]也都從位錯(cuò)角度對(duì)振動(dòng)時(shí)效的機(jī)理進(jìn)行分析，筆者擬結(jié)合位錯(cuò)理論從材料的晶粒形貌角度探討應(yīng)力釋放原理。現(xiàn)在對(duì)于鋁合金材料的振動(dòng)時(shí)效研究也有一些成果，Wang等[15]發(fā)現(xiàn)AA6061鋁合金板材在懸臂梁式振動(dòng)時(shí)效下不同位置的應(yīng)力松弛效果不同，對(duì)鋁合金厚板進(jìn)行VSR后發(fā)現(xiàn)板內(nèi)應(yīng)力得到均化[16]，板形較之前更加穩(wěn)定。李亞非等[17]實(shí)驗(yàn)證明了70A4鋁合金鍛件在VSR處理后最高的應(yīng)力釋放率接近于熱時(shí)效，并指出采用振動(dòng)平臺(tái)對(duì)中小型工件進(jìn)行振動(dòng)時(shí)效處理時(shí)，應(yīng)力去除效果與工件的裝夾位置有關(guān)。此外，很多學(xué)者也開(kāi)始引入計(jì)算機(jī)仿真軟件對(duì)VSR進(jìn)行數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)參考，例如Chen 等[18]采用ANSYS對(duì)石英撓性加速器計(jì)的焊接過(guò)程進(jìn)行熱分析后發(fā)現(xiàn)，振動(dòng)可以降低殘余焊接應(yīng)力，而且共振頻率下的效果更好。蔡敢為等[19]對(duì)內(nèi)燃機(jī)曲軸進(jìn)行數(shù)值分析，結(jié)果表明，在激振頻率范圍內(nèi)曲軸達(dá)到共振進(jìn)而消減殘余應(yīng)力。筆者基于7075鋁合金薄壁框架件的振動(dòng)時(shí)效實(shí)驗(yàn)，結(jié)合X射線(xiàn)(X-ray diffraction，簡(jiǎn)稱(chēng)XRD)應(yīng)力測(cè)試技術(shù)、EBSD和硬度測(cè)試，探究振動(dòng)平臺(tái)對(duì)結(jié)構(gòu)件材料表面完整性——表面應(yīng)力、硬度和微觀組織的影響。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 材料與試樣

實(shí)驗(yàn)采用7075-T651鋁合金厚板，經(jīng)四軸加工中心制成3塊尺寸為500 mm×108 mm×60 mm的一口型薄壁件，底部厚度為6 mm，壁厚為2 mm。銑削加工后對(duì)試樣進(jìn)行噴丸處理，強(qiáng)化表面應(yīng)力的同時(shí)使得應(yīng)力分布均勻，后期數(shù)據(jù)對(duì)比更加鮮明。噴丸設(shè)備為ST-1960空氣噴丸機(jī)，根據(jù)航空零件噴丸強(qiáng)化標(biāo)準(zhǔn)，磨料選用粒度直徑為0.3 mm的鋼丸顆粒，以0.3 MPa的噴射強(qiáng)度噴3塊薄壁件，垂直試樣噴射距離為50 mm，噴口直徑為5 mm，表面覆蓋率為100%[20-21]。

1.2 振前分析

平臺(tái)式振動(dòng)時(shí)效是指平臺(tái)在激振器的持續(xù)激勵(lì)下與裝夾結(jié)構(gòu)件一起達(dá)到共振，產(chǎn)生激振能施加在構(gòu)件表面，同時(shí)避免對(duì)構(gòu)件產(chǎn)生損傷。實(shí)驗(yàn)所用振動(dòng)平臺(tái)為HT250，尺寸為1 800 mm×800 mm×70 mm，質(zhì)量約為1 000 kg，對(duì)稱(chēng)4支點(diǎn)高強(qiáng)度彈簧支撐，支座彈簧剛度為6×106N/mm，支撐處對(duì)稱(chēng)布局為1 500 mm×500 mm。

利用ANSYS軟件對(duì)HT250實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行支撐約束狀態(tài)下模態(tài)分析。平臺(tái)和彈簧分別采用SOLID185單元和COMBIN14單元，材料屬性如下：ρ=7 000 kg/m3；E=150 GPa；ν=0.3。通過(guò)Mesh模塊對(duì)模型進(jìn)行高精度六面體劃分，單元格尺寸為30 mm，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為7 196個(gè)，單元數(shù)為5 128個(gè)。

數(shù)值模態(tài)分析求解器采用Block Lanczos，得到平臺(tái)的固有頻率與振型之間的關(guān)系，如表1所示。其第7階振型明顯比其他頻率達(dá)到了更大振幅，同時(shí)采用了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)聚沙法驗(yàn)證了散布在平臺(tái)上的細(xì)砂在此激振頻率下聚集到零振幅位置，可判斷激振頻率約為110 Hz，平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)預(yù)定的亞共振。圖1為第7階振型圖。

表1 模態(tài)分析結(jié)果Tab.1 Modal analysis results

圖1 平臺(tái)第7階模態(tài)振型圖Fig.1 7th modal shape of platform

由圖1可以看出，平臺(tái)關(guān)于中間位置兩邊對(duì)稱(chēng)，考慮到激振力分布效果，可選擇將激振器安裝于平臺(tái)中間位置。分別將3個(gè)試樣框架件裝夾于圖1所示的中間位置、零振幅位置和最大振幅位置(分別命名為1，2，3號(hào)件)，如圖2所示。試樣均以寬度方向中線(xiàn)對(duì)稱(chēng)，分別觀察其時(shí)效效果。

圖2 VSR實(shí)驗(yàn)Fig.2 VSR experiment

1.3 振動(dòng)方式

實(shí)驗(yàn)按照模態(tài)分析找到對(duì)應(yīng)中間、零振幅和最大振幅位置，為防止實(shí)驗(yàn)中試樣表面遭到破壞影響數(shù)據(jù)采集，用軟布包裹后再用夾具固定框架件，安裝方式見(jiàn)圖2。激振設(shè)備為HK2000K1型全自動(dòng)振動(dòng)時(shí)效儀，偏心轉(zhuǎn)子式激振器置于平臺(tái)中部。根據(jù)前期工作結(jié)果和振動(dòng)時(shí)效工藝標(biāo)準(zhǔn)[22-23]，選擇激振時(shí)間為20 min。激振后儀器自動(dòng)掃頻，尋找到平臺(tái)亞共振區(qū)112 Hz進(jìn)行激振。

1.4 試樣測(cè)試

為了得到振動(dòng)時(shí)效的應(yīng)力釋放情況，對(duì)框架件實(shí)驗(yàn)前后進(jìn)行X射線(xiàn)衍射應(yīng)力測(cè)試[24]，其精度為±20 MPa。靶材為Cr-kα靶，X射線(xiàn)的波長(zhǎng)為2.291×10-10m，管電壓為20 kV，管電流為4 mA，衍射晶面為156°，采用高斯函數(shù)法定峰，準(zhǔn)直管尺寸為2 mm。X射線(xiàn)彈性常數(shù)為S2/2(18.56 ×10-6)，ψ取14個(gè)角度。雙探測(cè)器衍射角掃描速度為2 (°)/min，步長(zhǎng)為0.01 °，測(cè)得7075鋁合金(311)晶面衍射角2θ隨ψ角變化時(shí)的變化值，測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)如圖3(a)所示。由仿真模態(tài)振型可知，寬度方向上分布的激振能是相同的，所以測(cè)試點(diǎn)沿長(zhǎng)度方向上取一側(cè)即可，沿試樣長(zhǎng)度方向布置12個(gè)測(cè)試點(diǎn)，分布如圖3(b)所示。

圖3 XRD應(yīng)力測(cè)試Fig.3 XRD stress test

電鏡分析采用配備EBSD探頭的EVO MA10掃描電子顯微鏡，研究鋁合金的晶粒形貌變化。試樣由線(xiàn)切割截取，表面經(jīng)過(guò)粗磨、細(xì)磨和機(jī)械拋光。試樣在測(cè)試前進(jìn)行電解拋光，拋光溶液用10 %高氯酸和90 %無(wú)水乙醇制成，電壓為18 V，拋光時(shí)間為20 s[25]。使用HV-5型維式硬度計(jì)對(duì)VSR實(shí)驗(yàn)前后鋁合金薄壁框架件的表面進(jìn)行硬度測(cè)試。

2 表面完整性分析

2.1 表面應(yīng)力釋放

當(dāng)材料的殘余應(yīng)力σr和動(dòng)應(yīng)力σd疊加之和大于屈服極限σs，才能使該處應(yīng)力消減，即

σr+σd>σs

材料在表面的屈服應(yīng)力極限σs相對(duì)基體內(nèi)要低很多，這為平臺(tái)式振動(dòng)時(shí)效釋放表面應(yīng)力提供了可能。VSR前，薄壁件經(jīng)過(guò)100%表面噴丸覆蓋，以保證其表面應(yīng)力分布均勻性較好，其應(yīng)力強(qiáng)度為-340±10 MPa。試樣VSR后，將XRD應(yīng)力測(cè)試的結(jié)果以云圖描述，如圖4所示。結(jié)果顯示，每個(gè)框架件應(yīng)力釋放都存在著不均勻的現(xiàn)象。

圖4 VSR后應(yīng)力松弛情況Fig.4 Stress relaxation after VSR

實(shí)驗(yàn)后1號(hào)件的應(yīng)力釋放達(dá)到最大，從-340 MPa降至-248 MPa，應(yīng)力釋放率為17%～27%；3號(hào)件應(yīng)力釋放效果次之，且表面應(yīng)力分布更加均勻，時(shí)效后應(yīng)力值處于262～270 MPa之內(nèi)，釋放率約為22%；2號(hào)件應(yīng)力釋放效果最小，最大處釋放到-282 MPa，釋放率為11%～17%。

模態(tài)分析顯示在112 Hz的激振頻率下，振動(dòng)平臺(tái)達(dá)到了共振，并呈正弦波式振形，結(jié)合VSR時(shí)效和XRD應(yīng)力分布特點(diǎn)可得以下結(jié)論：①激振能量可以有效地作用到試樣上，滿(mǎn)足了小試樣獲得大動(dòng)能的需要；②構(gòu)件表面在時(shí)效交變應(yīng)力作用下達(dá)到了微觀屈服，促成表面應(yīng)力釋放；③平臺(tái)諧波振型表明了動(dòng)應(yīng)力分布的不均勻性，應(yīng)力釋放效果與時(shí)效位置、激振能分布有關(guān)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，處于振幅較大位置的1號(hào)件和3號(hào)件應(yīng)力釋放效果明顯優(yōu)于零振幅位置的2號(hào)件，但零振幅位置時(shí)效后表面應(yīng)力釋放更加均勻，工程應(yīng)用中可根據(jù)需要選擇時(shí)效位置。

2.2 微觀分析

宏觀上材料殘余應(yīng)力和振動(dòng)時(shí)效交變應(yīng)力疊加超過(guò)了屈服極限，產(chǎn)生了塑性變形，釋放了殘余應(yīng)力。塑性變形表明材料表面組織也會(huì)存在微觀形變，運(yùn)用位錯(cuò)理論可知其主要因素是晶界處位錯(cuò)塞積纏結(jié)導(dǎo)致。為更深入地研究晶粒內(nèi)部的變化，取母材以及時(shí)效后試樣的表面中心區(qū)域進(jìn)行EBSD分析。

圖5為母材和時(shí)效后材料的取向成像圖(反極圖)，不僅包含晶界和亞晶界信息，也反映了晶粒取向變化，其中不同顏色代表著不同的晶粒取向。晶體形貌上可以看出母材的平均晶粒尺寸較小，細(xì)小的扁平狀晶粒均勻分布并且無(wú)明顯的擇優(yōu)取向。在細(xì)長(zhǎng)晶粒的內(nèi)部，有許多亞晶粒邊界。對(duì)比經(jīng)過(guò)振動(dòng)時(shí)效的晶體形貌，發(fā)現(xiàn)晶粒有著顯著的成長(zhǎng)趨勢(shì)，并且晶粒內(nèi)部的襯度發(fā)生變化。大量的顏色漸變區(qū)出現(xiàn)，表明晶粒取向發(fā)生了變化，已完成塑性滑移，進(jìn)而大角度晶界(>10°)的組分增加。從小角度晶界(2～10°)向大角度晶界的轉(zhuǎn)變過(guò)程，也就是能量釋放的過(guò)程，同時(shí)伴隨著新的形核增加。

圖5 取向成像圖Fig.5 Inverse pole figure

振動(dòng)時(shí)效過(guò)程中的交變應(yīng)力能量累積到足夠多時(shí)，晶粒內(nèi)部就開(kāi)始滑移變形，初步形成了內(nèi)部取向的漸變區(qū)。隨著變形量的進(jìn)一步增大，晶粒內(nèi)部滑移變形將帶動(dòng)整個(gè)晶粒沿著拉伸方向產(chǎn)生塑性變形，晶粒的變形也將帶來(lái)晶界上位錯(cuò)的增殖和堵塞。塑性變形到一定程度，將觸發(fā)整個(gè)晶粒發(fā)生形變以適應(yīng)外界的宏觀應(yīng)力作用，由此導(dǎo)致晶粒被拉伸長(zhǎng)大，晶界上塞積增多。當(dāng)晶粒成長(zhǎng)釋放的能量以及位錯(cuò)上復(fù)雜的應(yīng)力場(chǎng)交互作用超過(guò)了材料的屈服強(qiáng)度時(shí)，材料形成屈服并通過(guò)晶粒一個(gè)個(gè)傳遞開(kāi)，達(dá)到了整體上的表面應(yīng)力釋放。

對(duì)時(shí)效前后的再結(jié)晶晶粒、亞結(jié)晶晶粒和變形晶粒進(jìn)行量化分析，統(tǒng)計(jì)其百分含量，數(shù)據(jù)顯示如圖6所示。對(duì)比母材，經(jīng)過(guò)時(shí)效后的材料表面再結(jié)晶體積從9.5%上升到18.7%，完成了部分晶粒的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。再結(jié)晶晶粒的增多使得組織更加均勻，力學(xué)性能也會(huì)得到強(qiáng)化。形變程度小，意味著再結(jié)晶形核的場(chǎng)所少，形核率低，由于晶界不遷移，晶粒中必然存在較高的位錯(cuò)密度。再結(jié)晶晶粒的增多以及高密度的位錯(cuò)在宏觀上帶來(lái)了材料變形抗力的增加。

圖6 再結(jié)晶體積比統(tǒng)計(jì)圖Fig.6 Volume fraction of DRX

2.3 表面硬化

材料硬化效果加強(qiáng)，分別取初始材料以及1，2，3號(hào)件同位置表層80 μm處5cm×5 cm區(qū)域，通過(guò)維氏硬度法進(jìn)行顯微硬度測(cè)試，圖7為其硬度云圖。圖7顯示了時(shí)效前后不同位置處材料表面硬度的變化情況：材料時(shí)效前表面中心區(qū)域硬度約為168HV；1，2，3號(hào)件分別時(shí)效后中心區(qū)域硬度提高到約為197，182和185 HV；中間位置的1#試樣時(shí)效后硬度提高效果最好，提升率為17.3%左右；零振幅位置和最大振幅位置時(shí)效效果大致相同，提升率為10%左右。

由上述的組織變化可以看出，振動(dòng)時(shí)效對(duì)表面組織的改性有積極影響，促使晶粒變形，使表面材料得以硬化。從振動(dòng)時(shí)效的作用效果和工業(yè)應(yīng)用實(shí)踐來(lái)看，在振動(dòng)能量不變的情況下，時(shí)效時(shí)間并不會(huì)對(duì)這種微觀變化產(chǎn)生持續(xù)影響，這是因?yàn)楫?dāng)材料硬化達(dá)到一定程度后，表面材料變形抗力會(huì)導(dǎo)致時(shí)效效果不再發(fā)揮作用，這也是時(shí)效時(shí)間一般控制在15～30min以?xún)?nèi)的主要原因。另外，時(shí)效所帶來(lái)的晶粒變形是表面應(yīng)力釋放的根本原因，變形改變了晶粒間力作用的強(qiáng)度和效果。振動(dòng)使結(jié)構(gòu)件表面應(yīng)力得到釋放，釋放的程度取決于試樣的時(shí)效位置。因?yàn)槲恢煤驼駝?dòng)的能量有關(guān)，這表明通過(guò)改變?cè)嚇釉谄脚_(tái)上的時(shí)效位置，能夠?qū)Y(jié)構(gòu)件優(yōu)化表面性能起到積極作用。

3 結(jié) 論

1) 平臺(tái)式VSR方法不僅對(duì)焊接件，對(duì)結(jié)構(gòu)件這類(lèi)全域性表面應(yīng)力分布不均或表面應(yīng)力強(qiáng)度高的情形都能夠發(fā)揮積極作用。實(shí)驗(yàn)證明，通過(guò)平臺(tái)式振動(dòng)時(shí)效可釋放構(gòu)件表面殘余應(yīng)力，最大釋放率可達(dá)29%。

2) 材料表面屈服強(qiáng)度偏低，客觀上滿(mǎn)足了VSR對(duì)材料進(jìn)行屈服削減應(yīng)力的要求，微觀分析證明了VSR能夠改變材料表面晶粒的內(nèi)部取向，強(qiáng)化組織性能，材料表面硬化可達(dá)17%，一定程度上對(duì)穩(wěn)定構(gòu)件變形有積極作用。

3) 平臺(tái)式VSR能夠?qū)Y(jié)構(gòu)件表面完整性形成有效改變，可通過(guò)調(diào)整時(shí)效位置和動(dòng)應(yīng)力強(qiáng)度實(shí)現(xiàn)材料表面性能參數(shù)的優(yōu)化。