噴丸處理對7A85-T7452鋁合金鍛件疲勞性能的影響

王 亮,臧金鑫,王 任,雷 越,伊琳娜

(北京航空材料研究院 北京市先進(jìn)鋁合金材料及應(yīng)用工程技術(shù)研究中心,北京 100095)

Al-Zn-Mg-Cu系鋁合金因具有低密度、高強(qiáng)度、高韌性、良好的加工性能及優(yōu)良的抗疲勞性能等優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域[1-3]。7A85鋁合金材料是我國具有自主知識產(chǎn)權(quán)的新型鋁合金,除具備以上優(yōu)點(diǎn)外,還具有良好的淬透性,適用于生產(chǎn)大尺寸截面鍛件或厚板,常用作飛機(jī)隔框、接頭等承力結(jié)構(gòu)[4-6]。這些關(guān)鍵承力件在飛機(jī)服役過程中存在因承受循環(huán)載荷而導(dǎo)致疲勞破壞的風(fēng)險(xiǎn)。因此,如何提高7A85鋁合金材料承受循環(huán)載荷下的疲勞壽命是提高飛機(jī)安全性和服役壽命所面臨的問題。現(xiàn)代飛機(jī)制造過程中,冷擠壓強(qiáng)化、噴丸強(qiáng)化、滾壓強(qiáng)化以及激光沖擊強(qiáng)化等方法是提高材料疲勞壽命的常用工藝,其中噴丸工藝由于易操作、效率高、效果好而獲得航空廠的廣泛使用[7-12]。雖然近年來國內(nèi)外關(guān)于噴丸強(qiáng)化的研究已經(jīng)有較多報(bào)道[13-16],但是關(guān)于7A85鋁合金材料噴丸強(qiáng)化工藝適用性及強(qiáng)化機(jī)理的研究相對較少,因此本文研究了不同噴丸強(qiáng)度對7A85鋁合金鍛件的疲勞增益效果,并獲得噴丸處理前后材料的疲勞強(qiáng)度,進(jìn)一步探討其強(qiáng)化機(jī)理,研究位錯分布、殘余應(yīng)力場等對材料疲勞性能的影響。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 材料與試樣

試驗(yàn)用料為7A85-T7452鋁合金自由鍛件,合金實(shí)測成分為(質(zhì)量分?jǐn)?shù)):7.67%Zn,1.57%Mg,1.58%Cu,0.10%Zr,<0.08%Fe,<0.06%Si,<0.04%Mn,其余為Al。其常規(guī)室溫力學(xué)性能為:抗拉強(qiáng)度σb=500 MPa,屈服強(qiáng)度σ0.2=461 MPa,延伸率δ5=15.4%。噴丸處理采用的疲勞試樣如圖1所示,疲勞試樣為光滑試樣,應(yīng)力集中系數(shù)Kt=1,試樣的長度方向平行于鍛件流線方向。試樣加工過程中盡量減小圓弧區(qū)域加工殘余應(yīng)力的產(chǎn)生。

圖1 疲勞試樣加工示意圖

1.2 試驗(yàn)方法

噴丸處理采用氣動式噴丸設(shè)備,噴丸介質(zhì)為鑄鋼丸,丸粒直徑0.6 mm。在噴丸強(qiáng)度0.020～0.220 mmA之間選取8個不同的噴丸強(qiáng)度對試樣進(jìn)行噴丸處理,每個噴丸強(qiáng)度5個平行試樣,噴丸覆蓋率100%。然后在相同的加載條件下,對比噴丸強(qiáng)度對疲勞壽命的影響。疲勞試驗(yàn)采用MTS810疲勞試驗(yàn)機(jī),室溫條件加載,最大載荷σmax=380 MPa,應(yīng)力比R=0.1,試驗(yàn)頻率f=10 Hz。

根據(jù)疲勞壽命結(jié)果，優(yōu)選疲勞增益效果最好的噴丸強(qiáng)度,采用該噴丸強(qiáng)度對疲勞試樣進(jìn)行噴丸處理。之后采用成組法選取不同大小的載荷對疲勞試樣進(jìn)行疲勞試驗(yàn),繪制噴丸強(qiáng)化試樣和未噴丸強(qiáng)化試樣的S-N曲線,并在疲勞壽命N=1×107處用升降法求得材料的疲勞強(qiáng)度。疲勞試驗(yàn)環(huán)境:室溫,應(yīng)力比R=0.1,加載頻率f=100 Hz。

采用Quanta600型掃描電鏡對疲勞斷口進(jìn)行觀察,確定疲勞源位置并觀察疲勞裂紋擴(kuò)展形態(tài)。用JEOL-2100透射電鏡對強(qiáng)化層微觀組織形貌進(jìn)行觀察,并用XStress-3000型X射線衍射殘余應(yīng)力分析儀檢測強(qiáng)化層殘余應(yīng)力分布情況。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 疲勞試驗(yàn)結(jié)果

對7A85-T7452鋁合金試樣分別經(jīng)0.020～0.220 mmA之間8種強(qiáng)度噴丸處理,然后測定試樣在σmax=380 MPa、R=0.1條件下疲勞后的疲勞壽命,結(jié)果如圖2所示。圖2中未噴丸處理試樣的疲勞壽命是2.6×104。噴丸強(qiáng)度為0.020 mmA時,疲勞試樣的疲勞壽命最高為1.9×105,是未噴丸試樣疲勞壽命的7.3倍。采用噴丸強(qiáng)度0.020 mmA對疲勞試樣進(jìn)行噴丸處理,噴丸和未噴丸的疲勞S-N曲線如圖3所示,表1為噴丸和未噴丸材料的疲勞極限。由表1可知，未經(jīng)噴丸處理試樣的疲勞極限為197 MPa,噴丸強(qiáng)度為0.020 mmA的噴丸處理工藝將試樣的疲勞極限提高了18%(達(dá)到233 MPa),說明噴丸強(qiáng)度為0.02 mmA的噴丸處理工藝可顯著提高7A85-T7452鋁合金鍛件的疲勞強(qiáng)度。

圖2 7A85-T7452鋁合金鍛件疲勞試驗(yàn)結(jié)果

圖3 7A85-T7452鋁合金鍛件疲勞S-N曲線

表1 噴丸處理前后材料的疲勞強(qiáng)度

2.2 微觀組織分析

2.2.1 疲勞試樣斷口分析

采用掃描電鏡對噴丸強(qiáng)度0.020 mmA和未噴丸處理的疲勞試樣的斷口形貌進(jìn)行觀察,分析疲勞源位置及疲勞條帶寬度隨裂紋擴(kuò)展的變化情況,掃描電鏡結(jié)果如圖4和圖5所示。圖4(a)～圖4(e)為未噴丸條件下7A85-T7452鋁合金鍛件疲勞斷口形貌。從圖4(a)可以觀察到疲勞源的形貌,主疲勞源位于試樣平面區(qū)域的表層。距疲勞源0.5 mm時觀察到清晰的疲勞條帶,此時疲勞條帶細(xì)長,間距較小,如圖4(b)所示。從圖4(c)可見,當(dāng)裂紋擴(kuò)展至距疲勞源1.5 mm時,疲勞條帶間距加寬,說明疲勞裂紋擴(kuò)展的速度在加快。當(dāng)裂紋擴(kuò)展到距疲勞源3.0 mm處時，觀察到大量韌窩和二次裂紋,只有少量疲勞條帶,說明裂紋擴(kuò)展接近瞬斷區(qū)，如圖4(d)所示。圖4(e)為典型的瞬斷區(qū)形貌,以韌窩和撕裂棱為主。圖5(a)～圖5(e)顯示了噴丸處理以后疲勞裂紋擴(kuò)展的形貌。從圖5(a)可以看出,噴丸處理后疲勞源位于試樣棱邊的過度圓角位置,這是由于噴丸處理將試樣表面的缺陷掩蓋,從而使裂紋在應(yīng)力集中更大的棱邊位置萌生。圖5(b)～圖5(c)展示了斷口距疲勞源不同距離位置疲勞條帶的形貌,與未噴丸試樣進(jìn)行對比,可以清晰看出在距離疲勞源0.5 mm和1.5 mm時,噴丸處理后試樣的疲勞條帶比未噴丸的更窄。圖5(d)為噴丸處理后試樣距疲勞源3.0 mm時的斷口形貌,依然可以觀察到清晰的疲勞條帶,而未噴丸試樣此時已接近瞬斷區(qū)。圖6統(tǒng)計(jì)了噴丸處理與未噴丸條件下疲勞條帶寬度隨裂紋擴(kuò)展的變化情況,從圖6可見,疲勞條帶的寬度隨疲勞裂紋長度的增加不斷變寬。當(dāng)裂紋長度小于1.5 mm時,噴丸和未噴丸條件下的疲勞試樣的疲勞條帶寬度增速都相對較慢。當(dāng)裂紋長度大于1.5 mm時,隨著裂紋的擴(kuò)展,疲勞條帶迅速加寬,而且未噴丸試樣的疲勞條帶寬度顯著大于噴丸處理的試樣,說明在相同的循環(huán)周次下,噴丸處理試樣的裂紋擴(kuò)展更慢。

圖4 未噴丸條件下疲勞斷口形貌

圖5 噴丸處理后疲勞試樣斷口形貌

圖6 噴丸處理與未噴丸條件下疲勞條帶寬度隨裂紋擴(kuò)展變化情況

以上對比可以說明,噴丸強(qiáng)化不僅改變了疲勞裂紋萌生的位置,而且在每次加載過程中均降低了裂紋的擴(kuò)展長度,從而延長了裂紋的擴(kuò)展區(qū)。因此降低了疲勞裂紋擴(kuò)展速率,提高了疲勞壽命。

2.2.2 強(qiáng)化層位錯結(jié)構(gòu)

在7A85-T7452鋁合金鍛件疲勞試樣的表層取樣,通過透射電鏡觀察噴丸處理前后晶內(nèi)組織形貌,試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。從圖7(a)可以看出,未噴丸條件下,在(110)晶帶軸下,可以觀察到基體中析出細(xì)小的針狀及盤狀強(qiáng)化相(η′相),未觀察到位錯形貌。從圖7(b)可見,噴丸條件下,晶粒內(nèi)部產(chǎn)生高密度的位錯結(jié)構(gòu),大量位錯無序分布,纏結(jié)在一起形成位錯胞狀結(jié)構(gòu)。這說明在噴丸過程中,丸粒的動能部分傳遞至試樣表面,使金屬表層內(nèi)部產(chǎn)生劇烈的位錯運(yùn)動,形成位錯胞狀結(jié)構(gòu),這些位錯胞狀結(jié)構(gòu)在裂紋萌生和擴(kuò)展過程中可以有效地阻礙位錯的滑移,從而延緩疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展。

圖7 疲勞試樣表層金屬透射組織形貌

2.3 殘余應(yīng)力測試結(jié)果

圖8為噴丸處理后強(qiáng)化層內(nèi)殘余應(yīng)力的分布情況。從圖8可見,殘余壓應(yīng)力層深度約為0.09 mm,表面殘余壓應(yīng)力為-213 MPa,最大殘余壓應(yīng)力在距表面0.01 mm處,為-231 MPa。一般情況下,機(jī)械加工會在金屬表層形成一層殘余壓應(yīng)力層,但機(jī)械加工在鋁合金中引入的殘余壓應(yīng)力層最大只有幾十MPa,而且深度非常淺、分布不均[17-19]。這說明噴丸強(qiáng)化以后,金屬形成了一層均勻分布的高水平殘余壓應(yīng)力層。當(dāng)零件承受外加交變載荷作用時,殘余壓應(yīng)力可以起到降低外加交變載荷中瞬時拉應(yīng)力的作用,從而延長裂紋的萌生壽命,減緩裂紋的擴(kuò)展速率,進(jìn)而提高7A85-T7452鋁合金鍛件的疲勞壽命。

圖8 噴丸處理?xiàng)l件下強(qiáng)化層內(nèi)殘余應(yīng)力分布曲線

3 結(jié) 論

(1) 噴丸處理可以有效提高7A85-T7452鋁合金自由鍛件的高周疲勞壽命,噴丸處理試樣疲勞壽命是未噴丸的7.3倍,疲勞強(qiáng)度提高18%。

(2) 采用噴丸強(qiáng)化工藝的7A85-T7452鋁合金自由鍛件,表層引入了深度約為0.09 mm的殘余壓應(yīng)力層,該強(qiáng)化層可以平衡部分外加載荷中的瞬時拉應(yīng)力。

(3) 噴丸改變了疲勞裂紋的萌生位置,減小了疲勞條帶的寬度,強(qiáng)化層內(nèi)的高密度位錯阻礙了位錯的滑移,導(dǎo)致晶內(nèi)位錯遷移困難,從而阻礙了疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展。