不同表面處理技術對鋁合金車體殘余應力的影響效果研究

張 雷 吳 磊 張健磊 張樹山 付志風 秀 妍

(中車唐山機車車輛有限公司 河北 唐山 063000)

焊接作為金屬車體主要結構的連接方式，因施焊過程局部冷熱不均，在結構內(nèi)部會有殘余應力和變形的產(chǎn)生，薄板構件焊接的殘余應力與變形問題尤為突出，影響結構尺寸、外觀和穩(wěn)定性，可能產(chǎn)生應力集中導致構件的疲勞和脆斷而引發(fā)事故。

表面殘余拉應力會加快裂紋萌生和擴展速度，從而降低構件的疲勞壽命。而殘余壓應力在一定程度上會提高構件的服役壽命。因此，采用適當?shù)墓に嚪椒ㄊ共牧媳砻娈a(chǎn)生殘余壓應力對于提高列車使用年限具有非常重要的意義。

王亞娟[1]研究了不同的表面處理方式對鋁合金6063膠接結構件膠接接頭力學性能的影響，研究表明不同的表面處理方式對鋁合金6063膠接結構件的拉剪強度有很大影響，機械打磨和酒精脫脂可以顯著提高鋁合金6063膠接接頭的拉剪強度。樓林潔[2]基于保護環(huán)境和滿足市場對材料需求的情況，闡述了若干有效解決辦法，為鑄造鋁合金表面處理技術提供借鑒與參考。

國內(nèi)對表面處理方法的研究發(fā)現(xiàn)： 采用噴砂處理的鋁合金表面粗糙度明顯增加， 有利于抑制裂紋的產(chǎn)生， 能在鋁合金表面產(chǎn)生壓應力，消除表面的殘余拉應力，使殘余應力分布更均勻，有效阻止裂紋的萌生和擴展，同時噴砂處理后的鋁合金表面會產(chǎn)生殘余壓應力，而且在疲勞循環(huán)過程中壓應力有所松弛。

本文主要研究表面處理技術中噴砂法對鋁合金車體殘余應力的影響效果，并依次對不同工藝下表面噴砂處理后的試件進行疲勞壽命測試及數(shù)據(jù)分析，以驗證不同表面處理技術及不同的加工工藝對鋁合金車體殘余應力的影響。

1 表面處理工藝試樣疲勞壽命

在設定的應力等級下，對于發(fā)生疲勞破壞的試樣，采用萬能拉伸試驗機完全拉斷并制作斷口掃描試樣，通過斷口分析研究不同表面處理工藝對疲勞斷裂的影響。

疲勞壽命各組試樣分別有5個，試驗參照標準GB/T 24176—2009給出的金屬材料疲勞試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計方案與分析方法，在置信度不低于80%的條件下進行，即每組5個試樣，至少有4個結果有效，因試樣加工，氣孔、夾渣等對性能產(chǎn)生較大影響的焊接缺陷造成的試驗數(shù)據(jù)異常，可作為異常數(shù)據(jù)處理，并進行試樣補充，重新計算置信度。

表1中橫截面尺寸為試驗前在疲勞試驗上隨機選取3個截面進行測量而獲得的最小值，并根據(jù)橫截面尺寸最小值和應力等級、應力比計算試驗力。為避免疲勞設備不同對試驗結果造成影響，疲勞試驗盡可能采用相同型號設備進行，疲勞壽命試驗結果如表1所示。

表1 疲勞壽命(R=0,120 MPa、140 MPa)

從表2疲勞壽命均值對比分析，噴砂處理后，試樣疲勞壽命下降約50%，而兩種噴丸工藝都大幅度提升了疲勞試樣在R=0，120 MPa下的疲勞壽命，故認為該應力條件下噴丸處理試樣循環(huán)無數(shù)次都不會發(fā)生疲勞破壞，引入殘余壓應力能顯著提高材料的疲勞壽命；但當粗糙度值過大時，即使引入較大值的殘余壓應力，因表面損傷嚴重，必然造成大量微觀應力集中，最終導致疲勞壽命大大降低。

表2 疲勞壽命均值對比(R=0，120 MPa) /×103

從表3 疲勞壽命均值對比可以看出在應力比為0，應力級為140 MPa下，鋼丸噴丸處理和玻璃丸噴丸處理后的試樣疲勞壽命均值有一定數(shù)值差異，但考慮疲勞試驗結果的分散性，可以認為兩種處理工藝下的疲勞壽命沒有明顯區(qū)別。

表3 疲勞壽命均值對比(R=0，140 MPa) /×103

2 不同表面處理試樣疲勞斷口形貌

斷口掃描選取疲勞斷裂試樣進行試驗，由于疲勞斷口試樣較多，僅選取各組中具有代表性的斷口圖片進行觀察、分析，如圖1所示。

圖1 疲勞斷口SEM掃描

從各個試樣的斷口宏觀形貌和整體微觀形貌來看，斷面角度幾乎與主應力方向垂直，斷口宏觀形貌呈顆粒狀，色澤灰暗，斷面較平整，塑性變形量少，大致可以判斷為脆性斷裂。一般疲勞斷口可以大致分為疲勞源、光滑區(qū)和粗粒區(qū)。疲勞破壞過程中主要經(jīng)歷裂紋萌生、裂紋擴展、瞬間斷裂三個階段。疲勞試驗大部分時間都處于第二階段，當肉眼能觀察到輕微裂紋痕跡時，試樣在1～2 s內(nèi)瞬間斷裂。

(1)疲勞源

從圖1各斷口疲勞源來看，未處理和噴丸、噴砂處理斷口都具有典型的疲勞斷裂特征，疲勞源均發(fā)源于表面或近表面，A-1-a、C-2-a疲勞源分別起源于表面氣孔和近表面夾雜，其中A-1-a、B-7-a、C-2-a、D-10-a斷口形貌中均能看到以疲勞源為中心的河流花樣，C-3-a除了能看到明顯的河流花樣，還能看到明顯的與一次疲勞弧線相垂直的二次疲勞弧線，各個試樣斷口形貌上均能觀察到不同大小的第二相，疲勞裂紋經(jīng)過該類區(qū)域時，加速裂紋擴展，產(chǎn)生光亮的后拖痕跡，可能與Cr、Mn、Fe等元素形成的金屬化合物富集有關。

(2)裂紋擴展區(qū)

對于大多數(shù)疲勞斷裂，疲勞裂紋擴展區(qū)的大小能在一定程度上反映疲勞擴展裂紋臨界裂紋長度，一般裂紋擴展區(qū)越大，疲勞擴展臨界裂紋長度越長。

從B-7-a、D-10-a的斷口形貌可以看出從疲勞源到瞬斷區(qū)都有較長的裂紋擴展區(qū)，表面粗糙度變化明顯。A-1-a、C-2-a中觀察到，未處理試樣斷口的裂紋擴展區(qū)相對噴丸處理試樣要短得多，而噴砂試樣的裂紋擴展區(qū)最不明顯。

觀察噴砂處理試樣(C-3-a)可以看出由于多疲勞源的影響，疲勞斷口的擴展區(qū)和瞬斷區(qū)沒有明顯界限，從裂紋萌生到擴展至瞬斷，三個區(qū)域均能看到粗糙的放射花樣，及二次裂紋產(chǎn)生的垂直于裂紋擴展方向的放射花樣，斷口各個區(qū)域都較為光亮，說明內(nèi)部缺陷對疲勞抗力的降低有很大影響，試樣過載程度大。

從各個斷口的疲勞輝紋來看，鋼丸和玻璃丸噴丸強化后的試樣，疲勞輝紋的紋路相對較深、較密，而噴砂處理試樣疲勞輝紋較淺，并且能觀察到較多撕扯產(chǎn)生的臺階。由此進一步說明，噴丸強化能提高試樣的疲勞抗力，噴砂處理則相反。

(3)瞬斷區(qū)

疲勞瞬斷區(qū)是疲勞裂紋達到臨界裂紋長度后發(fā)生快速斷裂而形成的區(qū)域。當疲勞裂紋達到臨界長度時，構件的有效承載截面無法承受外加載荷而發(fā)生快速斷裂。

未處理試樣和噴砂處理試樣，瞬斷區(qū)成粗大放射線狀，兩種噴丸工藝處理后的試樣疲勞斷口能觀察到粗糙的晶粒狀形貌，整體看起來該區(qū)域都較為光亮，這些都是脆斷的典型特征。

各個試樣的瞬斷區(qū)都能看到裂紋達到臨界長度后，試樣截面局部過載導致的快速斷裂痕跡，并留下形態(tài)各異的韌窩。各個試樣的韌窩大小相當，但噴丸處理試樣和未處理試樣韌窩都較規(guī)則，而噴砂處理試樣韌窩則存在極明顯的撕裂痕跡，韌窩形態(tài)比較不規(guī)則。

3 試驗結果分析

經(jīng)過表面處理的疲勞試驗結果可以發(fā)現(xiàn)如下結論：經(jīng)過玻璃丸和鋼丸處理的疲勞試樣的壽命明顯高于未處理的疲勞試樣。

經(jīng)過噴砂處理的疲勞試樣的壽命卻明顯低于未處理試樣。這是因為大多數(shù)疲勞破壞起源于試件表面，經(jīng)過玻璃丸和鋼丸處理的試樣，表面形成了一層壓應力層，在疲勞試驗過程中與外載疊加相當于降低了表面層的平均應力，從而提高了經(jīng)玻璃丸和鋼丸處理試件的疲勞壽命。

而對于噴砂試件，由于粗糙度的大小是表征磨削質量高低的一個重要參數(shù)，粗糙度越小，磨削質量越高，構件抗疲勞性能越好。因為根據(jù)斷裂力學原理，表面粗糙度值越大，缺口效應就越大，即應力集中系數(shù)越大，故疲勞性能就越差。這個時候雖然噴砂試件表面獲得的殘余壓應力高于玻璃丸和鋼丸處理的表面，但是由于此時粗糙度對試樣疲勞壽命的影響占主導地位，造成噴砂處理后試樣的疲勞壽命反而低于未處理試樣，因此選擇合理的噴砂工藝參數(shù)十分重要。

4 結論

噴砂處理法對鋁合金車體殘余應力的控制在軌道交通車輛制造企業(yè)中已得到使用，從實際處理效果方面有以下結論：

(1)噴砂處理可以促使鋁合金在淺表面至0.3 mm范圍內(nèi)形成有效的壓應力層，壓應力的范圍在-100 MPa～0之間，且針對6005等不同的鋁合金材料，對接、搭接、角接等不同的接頭型式，在壓應力的影響范圍上有一定細微差異。

(2)噴砂處理不會改變鋁合金焊接接頭的微觀組織及力學性能本質，因此采用噴砂處理可以最大程度地保持原焊接接頭的性能，從維持鋁合金車體焊接結構的質量穩(wěn)定性考慮是有益處的。

(3)噴砂工藝的選擇很重要，噴砂工藝會影響到噴砂后鋁合金車體表面的粗糙度、殘余應力的大小等。