應(yīng)力水平對激光沖擊強化圓角疲勞壽命的影響

姜銀方，季 彬，趙 勇，華 程，孟李林，彭濤濤

(1.江蘇大學(xué) 機械工程學(xué)院，鎮(zhèn)江 212013；2.中國航空工業(yè)集團公司 成都飛機設(shè)計研究所，成都 610091；3.成都飛機工業(yè)(集團)有限責(zé)任公司，成都 610092)

引 言

在實際工程中，一些曲面結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜且過渡區(qū)曲率變化較大，裂紋萌發(fā)通常發(fā)生在結(jié)構(gòu)部件的彎曲區(qū)或拱頂上，因為這些區(qū)域一般存在高應(yīng)力集中，所以應(yīng)對這些臨界區(qū)域進行強化處理，以提高部件的壽命[1-3]。相對于傳統(tǒng)強化方法，激光沖擊強化(laser shock processing,LSP)技術(shù)作為一種新型的表面改性技術(shù)，其通過誘導(dǎo)產(chǎn)生的沖擊波作用于材料表面，在材料表層形成一定深度的殘余壓應(yīng)力，并產(chǎn)生高密度位錯和位錯纏結(jié)，從而改善材料的疲勞性能[4-8]。激光沖擊強化具有高壓高能、可控性好、強化質(zhì)量高、應(yīng)用范圍廣等優(yōu)勢，因此在材料表面強化領(lǐng)域具有廣闊前景[9-12]。

迄今為止，國內(nèi)關(guān)于曲面結(jié)構(gòu)激光沖擊強化的研究大多集中在曲軸上。WANG[13]等人利用激光對曲軸連桿軸頸過渡圓角區(qū)進行了沖擊強化處理，并利用疲勞試驗研究了激光沖擊強化對曲軸扭轉(zhuǎn)強度的影響。研究表明，激光沖擊處理在曲軸過渡圓角區(qū)表面形成了殘余壓應(yīng)力場，致使裂紋擴展速率大幅降低，顯著提高了曲軸的疲勞壽命。研究認為激光誘導(dǎo)產(chǎn)生的殘余壓應(yīng)力是提高曲軸疲勞性能的主要機制。LI[14]等人以某型號發(fā)動機放氣活門的主動連桿轉(zhuǎn)接圓角區(qū)為研究對象，通過振動疲勞試驗對比分析了原件與機械噴丸、激光沖擊、增大圓角半徑3種強化處理后的疲勞結(jié)果差異。研究表明，經(jīng)激光沖擊強化后，圓角區(qū)表面粗糙度降低、形成一定深度的殘余壓應(yīng)力層以及高密度位錯的產(chǎn)生，三者共同作用下有效的緩解了圓角區(qū)的應(yīng)力集中。國外的相關(guān)研究大多在航空領(lǐng)域。SPANRAD[15]等人采用激光對外物損傷后的Ti-6Al-4V合金通用機翼樣品進行強化處理,結(jié)果顯示，激光沖擊強化提高了外物損傷后的疲勞裂紋擴展阻力。YANG[16]等人對激光沖擊強化7050-T7451鋁合金棒件殘余應(yīng)力場的幾何效應(yīng)進行了研究，他們采用3維有限元方法對具有曲面的金屬試樣由激光沖擊強化產(chǎn)生的殘余應(yīng)力場的幾何效應(yīng)進行了分析，結(jié)果表明，曲面結(jié)構(gòu)表面的幾何效應(yīng)極大地影響了動態(tài)應(yīng)力場和殘余應(yīng)力場。

國內(nèi)外的相關(guān)研究大多基于特定的研究對象，具有一定的局限性。作者意圖在不同應(yīng)力水平下，對激光沖擊強化圓角構(gòu)件的殘余應(yīng)力分布規(guī)律進行分析，進而研究其對曲面結(jié)構(gòu)疲勞性能的影響，為今后實際工程中含有過渡圓角區(qū)的零部件的激光沖擊強化研究提供一定的參考。

1 激光沖擊試驗

本文中選擇的試樣材料為TC4-DT鈦合金，其化學(xué)成分如表1所示。為了便于激光沖擊前后對比及后續(xù)疲勞拉伸試驗，將試樣設(shè)計成雙聯(lián)試樣，圓角區(qū)半徑為3mm，厚度為6mm，圖1分別為試樣的幾何尺寸圖及實物圖。

Table 1 Chemical component (mass fraction) of TC4-DT titanium alloy

Fig.1 a—design size of specimen b—real figure of specimen

試驗中采用的功率密度為13.7GW/cm2，激光光斑直徑為4mm，搭接率為50%，沖擊路徑如圖2所示。試驗過程中，用100μm厚的鋁箔作吸收保護層，用去離子水作透明約束層。

Fig.2 Size and spots distribution of fillet model

2 疲勞拉伸試驗

試樣完成激光沖擊強化試驗后，將進行疲勞拉伸試驗。試驗中采用正弦等幅拉-拉載荷譜，進行疲勞試驗的最大應(yīng)力分別為385MPa和423MPa，應(yīng)力比r=0.1，頻率保持50Hz不變，疲勞試驗在室溫下進行。

表2為圓角試樣分別在應(yīng)力水平385MPa和423MPa加載下的疲勞試驗結(jié)果。從表中的數(shù)據(jù)可以看到，當(dāng)應(yīng)力水平為385MPa時，圓角試樣經(jīng)激光沖擊強化后，沖擊端循環(huán)次數(shù)相比未沖擊端循環(huán)次數(shù)能提高了246.2%，強化效果非常明顯；當(dāng)應(yīng)力水平提高到423MPa時，未沖擊端與沖擊端的疲勞壽命均大幅降低，疲勞壽命增益僅為111.8%，遠低于應(yīng)力水平385MPa時的。顯然，激光沖擊強化能有效改善圓角構(gòu)件的疲勞壽命，但外加載荷的增加卻大幅降低了強化效果。

Table 2 Fatigue testing result of specimen

3 疲勞斷口分析

圖3和圖4分別為雙聯(lián)試樣在不同應(yīng)力水平下未沖擊端的疲勞斷口微觀形貌。其中圖3a和圖4a為斷口全貌，圖3b和圖4b為疲勞源區(qū)局部放大。從圖中可以觀察到，未沖擊端疲勞源均位于圓角根部和棱角處，由于根部和棱角處的局部應(yīng)力集中和加工狀態(tài)較差，在外加循環(huán)載荷下一般多是疲勞裂紋萌生的地方[17]。斷口存在許多解理小平面，在源區(qū)可以看到大量“樓梯型”臺階，具有典型的羽毛花樣，整個斷面高低起伏，疲勞源區(qū)、疲勞裂紋擴展區(qū)和瞬斷區(qū)區(qū)分明顯。同時還可以看到，在高應(yīng)力水平下的疲勞源較低應(yīng)力水平下的分散，并存在多個疲勞源并存的現(xiàn)象。這是因為在高應(yīng)力水平作用下，材料抵抗裂紋萌生的能力降低，致使裂紋萌生的范圍增大，疲勞源在多處產(chǎn)生的可能性大大增加。

Fig.3 Fatigue fracture of untreated side of specimen with stress level of 385MPa

Fig.4 Fatigue fracture of untreated side of specimen with stress level of 423MPa

圖5和圖6為雙聯(lián)試樣沖擊端疲勞斷口微觀形貌。從圖中可觀察到，與未沖擊端相比，斷口形貌特征基本一致，但沖擊端斷口疲勞源明顯向沖擊深度方向轉(zhuǎn)移，這是由于激光沖擊處理使有應(yīng)力集中的圓角薄弱區(qū)得到強化，疲勞源從薄弱圓角表面移向其它可能較弱位置，這能極大地提高構(gòu)件疲勞裂紋萌生壽命。圖6斷口試樣明顯存在組織缺陷，使得疲勞源在缺陷出產(chǎn)生，致使構(gòu)件疲勞壽命大幅降低。

Fig.5 Fatigue fracture of LSP side of specimen with stress level of 385MPa

Fig.6 Fatigue fracture of LSP side of specimen with stress level of 423MPa

在循環(huán)載荷的作用下，疲勞斷口表面產(chǎn)生條狀結(jié)構(gòu)的疲勞輝紋。表面上精細的條狀結(jié)構(gòu)是每個載荷循環(huán)使裂紋發(fā)生緩慢的擴展而造成的，每一條帶標記著裂紋前緣的位置。通過對疲勞輝紋的定量分析就可以確定裂紋擴展的速度[18]。圖7和圖8分別為試樣在應(yīng)力水平385MPa和423MPa下的疲勞條紋。其中圖7a和圖8a為未沖擊端疲勞條紋，圖7b和圖8b為沖擊端疲勞條紋。當(dāng)應(yīng)力水平為385MPa時，未沖擊端與沖擊端的10個疲勞條帶間距分別為4.65μm和2.037μm；423MPa時，分別為5.91μm和3.16μm?？梢娊?jīng)激光沖擊強化后疲勞條帶間距明顯減小，說明疲勞裂紋擴展速率顯著降低，從而極大的提高了疲勞壽命。此外，由于應(yīng)力水平的增大，裂紋尖端有效應(yīng)力強度因子幅增大，疲勞裂紋擴展加快，在斷口上則表現(xiàn)為疲勞條帶間距的增大，這在試樣疲勞壽命上均有體現(xiàn)。

Fig.7 Fatigue crack growth of specimen with stress level of 385MPaa—untreated side b—LSP side

Fig.8 Fatigue crack growth of specimen with stress level of 423MPaa—untreated side b—LSP side

4 結(jié) 論

(1)觀察試樣疲勞斷口形貌發(fā)現(xiàn)：在低應(yīng)力水平下，試樣未沖擊端斷口上疲勞源均位于圓角根部相切處；在高應(yīng)力水平下，由于拉應(yīng)力范圍較大，疲勞源區(qū)變大，疲勞源個數(shù)增多；而沖擊端疲勞源向沖擊深度方向轉(zhuǎn)移，出現(xiàn)在次表面層。

(2)激光沖擊能有效提高圓角構(gòu)件疲勞裂紋萌生壽命。經(jīng)激光沖擊強化后斷口裂紋穩(wěn)定擴展區(qū)上的疲勞條帶間距明顯減小；但隨著應(yīng)力水平增大，激光沖擊強化對圓角結(jié)構(gòu)疲勞壽命的增益減小。

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