3D打印鋁合金低周疲勞試樣加工殘余應(yīng)力的表征

李志龍，高怡斐，，張 文，劉蘭舟

(1.鋼鐵研究總院，北京 100081；2.鋼研納克檢測(cè)技術(shù)股份有限公司，北京 100081)

0 引言

壓力容器作為一種特種設(shè)備，廣泛應(yīng)用于航空航天、化工、軍事等領(lǐng)域[1]。隨著材料及機(jī)械加工技術(shù)的進(jìn)步，壓力容器向著大尺寸、輕量化及優(yōu)良的綜合力學(xué)性能方向發(fā)展勢(shì)在必行[2]。Al-Mg 合金因其密度低、比強(qiáng)度高、塑性好、良好的導(dǎo)熱性和抗蝕性，在壓力容器中廣泛使用。鋁合金選區(qū)激光熔融技術(shù)(SLM技術(shù))不僅減少了產(chǎn)品設(shè)計(jì)和生產(chǎn)周期，節(jié)約了大量的經(jīng)濟(jì)和時(shí)間成本，而且其性能優(yōu)于鑄件，與鍛件相當(dāng)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品零件的輕量化[3]。研究[4]發(fā)現(xiàn)，加入適量Sc和Zr元素能夠細(xì)化Al-Mg合金晶粒尺寸、提升強(qiáng)度和硬度等力學(xué)性能；還可增強(qiáng)合金的熱穩(wěn)定性。由于3D打印鋁合金成本較高，還未進(jìn)行大規(guī)模工程應(yīng)用，但隨著材料科學(xué)的發(fā)展，其應(yīng)用前景十分廣泛[5-6]。

在鋁合金加工過程中，形成的殘余應(yīng)力將降低結(jié)構(gòu)件的強(qiáng)度、壽命，造成應(yīng)力腐蝕和脆性斷裂，同時(shí)殘余應(yīng)力的松弛，將使構(gòu)件產(chǎn)生變形，影響了構(gòu)件的尺寸精度[7-9]。其中在疲勞壽命試驗(yàn)過程中，當(dāng)試樣表面存在壓縮殘余應(yīng)力時(shí)，疲勞強(qiáng)度會(huì)有所提高；而存在拉伸殘余應(yīng)力時(shí)，其疲勞強(qiáng)度會(huì)有所下降。在研究疲勞壽命與殘余應(yīng)力之間關(guān)系時(shí)，往往選擇高周疲勞模式，而在低周疲勞模式中，低應(yīng)變幅主要在彈性范圍內(nèi)的疲勞壽命與殘余應(yīng)力直接的關(guān)系研究甚少。因此，探究疲勞試樣加工過程中，加工工藝對(duì)試樣表面殘余應(yīng)力的影響顯得尤為重要。

殘余應(yīng)力的測(cè)試方法有小孔法、超聲法、磁測(cè)法、X射線衍射法、高能輻射X射線法、中子衍射法等[10-14]。由于樣品尺寸的限制及減少對(duì)后續(xù)試驗(yàn)的影響，本文選擇X射線衍射法及中子衍射法。X射線衍射法是一種無損測(cè)定金屬零部件表面應(yīng)力的方法，其原理遵從布拉格定律：2dsinθ=nλ(d為晶面間距，θ為入射線角度，λ為入射波長(zhǎng))[15]。可表述為：當(dāng)一束波長(zhǎng)為λ的X射線照射到多晶體上時(shí)，會(huì)在一定的角度2θ處接收到衍射峰，而應(yīng)力變化時(shí)將引起晶面間距d的變化，繼而衍射角2θ也隨之發(fā)生變化。所以根據(jù)衍射角2θ的變化，即可利用彈性力學(xué)相關(guān)方程求出某一方向的應(yīng)力大小和性質(zhì)[16]。中子衍射技術(shù)測(cè)試原理與X射線衍射法測(cè)試原理相同，但中子衍射法因其穿透力強(qiáng)、分辨率高、獲得組織結(jié)構(gòu)信息等特點(diǎn)，能夠測(cè)試分析部件內(nèi)部的殘余應(yīng)力分布[17-19]。因此，為了探究鋁合金低周疲勞試樣加工過程中殘余應(yīng)力的變化，利用 X射線衍射法和中子衍射分別對(duì)試樣表面及內(nèi)部殘余應(yīng)力的變化進(jìn)行測(cè)試。

1 材料及加工工藝

1.1 材料

文中研究對(duì)象為3D打印鋁合金Al-Mg-Sc-Zr，打印后通過低溫時(shí)效熱處理降低內(nèi)部殘余應(yīng)力。材料基本性能及化學(xué)成分分別如表1,2所示。

表1 3D打印鋁合金性能Tab.1 Mechanical properties of 3D-printed aluminum alloy

表2 3D打印鋁合金化學(xué)成分Tab.2 Chemical composition of 3D-printed aluminum alloy %

圖1 3D打印鋁合金試樣組織形貌

3D打印Al-Mg-Sc-Zr合金的組織為α固溶體，如圖1(a)所示。顯微組織的晶粒取向如圖1(b)所示，該3D打印鋁合金組織由兩個(gè)區(qū)域含有柱狀晶區(qū)與再熱晶區(qū)，采用Channel 5軟件統(tǒng)計(jì)晶粒尺寸。圖1(c)為晶粒尺寸統(tǒng)計(jì)，可以看出，組織晶粒尺寸主要分布于1～7 μm之間。

1.2 加工工藝

通過線切割方式，切取直徑為14 mm的圓棒，進(jìn)行低周疲勞試樣的加工，試樣尺寸如圖2所示。在加工過程中，涉及車、磨、拋工序，其中車削時(shí)試樣轉(zhuǎn)速為600 r/min，進(jìn)給量為0.05 mm/r，由于鋁合金硬度低，進(jìn)刀量較大，將造成試樣表面的撕裂，所以通常選擇進(jìn)刀量為0.5 mm/刀。磨削過程中砂輪邊緣線速度為35 m/s，試樣轉(zhuǎn)速為120 r/min，進(jìn)刀量隨著試樣尺寸的縮小不斷減小,直至為下一步工序留出余量。

圖2 3D打印鋁合金疲勞試樣結(jié)構(gòu)尺寸示意Fig.2 Schematic diagram of structural dimensions of3D-printed aluminum alloy fatigue specimen

由于鋁合金試樣經(jīng)過磨削后，表面粗糙，需通過縱拋試驗(yàn)減小表面粗糙度，另外,縱拋會(huì)改變?cè)嚇拥谋砻婕庸顟B(tài)，將環(huán)向磨痕變成縱向紋路，以減少機(jī)械加工缺陷對(duì)疲勞壽命的影響。在縱拋加工過程中分別采用200,400,600,800目的鉻鋼玉砂紙對(duì)試樣表面進(jìn)行拋光，200目拋光10 min,400目拋光2.5 min,600目拋光2 min，800目拋光3 min。

2 測(cè)試及結(jié)果分析

2.1 殘余應(yīng)力測(cè)試結(jié)果及分析

在殘余應(yīng)力測(cè)試時(shí)，曝光時(shí)間越長(zhǎng)所測(cè)得衍射峰和精度越高，但會(huì)增加測(cè)試時(shí)間，所以測(cè)試時(shí)參數(shù)選擇尤為重要[16]。同時(shí)，試樣表面狀態(tài)也是影響測(cè)試結(jié)果的主要原因[20-21]：(1)鋁合金晶粒粗大或具有擇優(yōu)取向時(shí)，使參與衍射的晶粒數(shù)目減少，導(dǎo)致衍射強(qiáng)度不穩(wěn)定，衍射峰形狀異常，測(cè)得的結(jié)果不可靠，重復(fù)性差，強(qiáng)織構(gòu)的存在，將使測(cè)試失敗;(2)由于X射線對(duì)于鋁合金穿透深度一般不超過60 μm，僅反應(yīng)表層的晶體結(jié)構(gòu)，若試樣表面存在氧化層或粗糙度大、污漬等，都將對(duì)測(cè)試結(jié)果影響很大，嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致測(cè)試失敗。針對(duì)這些情況，用鹽酸擦拭鋁合金表面或電解拋光所要測(cè)試的點(diǎn)。

測(cè)試時(shí)，采用MRX X射線應(yīng)力分析儀，根據(jù)GB/T 7704—2017《無損檢測(cè) X射線應(yīng)力測(cè)定方法》，選用Cr靶，V濾波片；測(cè)試參數(shù)為管電流1.03 mA、管電壓19.78 kV。選擇ψ角為-40°～40°，光斑直徑1 mm，曝光時(shí)間90 s。測(cè)試位置如圖3所示。毛坯基體試樣使用Proto-8818型電解拋光機(jī)進(jìn)行電化學(xué)腐蝕0.2 mm后進(jìn)行測(cè)試，位置如圖3(a)，測(cè)試結(jié)果軸向?yàn)闅堄嗬瓚?yīng)力，環(huán)向?yàn)闅堄鄩簯?yīng)力，分別為28,-20 MPa。疲勞試樣殘余應(yīng)力層深度分布測(cè)試時(shí)，使用Proto-8818型電解拋光機(jī)，其工作電壓15 V，電流2 A，電解液為飽和NaCl水，同時(shí)利用數(shù)字千分尺測(cè)量材料腐蝕深度。

(a)毛坯基體

(b)疲勞試樣圖3 鋁合金測(cè)試位置示意Fig.3 Schematic diagram of aluminum alloy test position

如鋁合金含有粗大的晶粒組織，可通過放大光斑的形式進(jìn)行測(cè)量，同時(shí)通過機(jī)械臂不斷地?cái)[動(dòng)(搖擺)來增加所測(cè)的殘余衍射的晶粒數(shù)量。本次試驗(yàn)中表面殘余應(yīng)力所測(cè)試的面為弧面，所以無法通過擴(kuò)大光斑的形式進(jìn)行殘余應(yīng)力的測(cè)試。由圖1(c)可知，晶粒尺寸小于16 μm，直徑1 mm光斑內(nèi)存在晶粒數(shù)量滿足檢測(cè)需要。經(jīng)車、磨、拋后，表面殘余應(yīng)力測(cè)試結(jié)果見圖4(a)(b)。

(a)軸向殘余應(yīng)力 (b)環(huán)向殘余應(yīng)力

(c)軸向殘余應(yīng)力層深度分布 (d)環(huán)向殘余應(yīng)力層深度分布圖4 試樣加工過程殘余應(yīng)力測(cè)試結(jié)果Fig.4 Test results of residual stress during machining

由圖4可看出，鋁合金在車、磨、拋后，表面殘余應(yīng)力均為殘余壓應(yīng)力且小于150 MPa；另外，試樣加工使得基體表面殘余應(yīng)力由殘余拉應(yīng)力變?yōu)闅堄鄩簯?yīng)力。圖4(a)顯示，車、磨、拋后表面軸向殘余應(yīng)力平均值分別為-67,-37,-19 MPa，軸向殘余應(yīng)力隨著“車-磨-拋”加工工序的進(jìn)行，逐漸減小，車削后軸向殘余應(yīng)力相較于磨、拋數(shù)據(jù)一致性較差；圖4(b)顯示，車、磨、拋后表面環(huán)向殘余應(yīng)力平均值分別為-71,-26,-108 MPa，磨削后環(huán)向殘余應(yīng)力減小，而縱拋后環(huán)向殘余壓應(yīng)力急劇升高，且大于車削后表面環(huán)向殘余壓應(yīng)力。圖4(c)(d)示出鋁合金成品試樣軸向、環(huán)向殘余應(yīng)力層深度分布，當(dāng)測(cè)試深度大于0.01 mm后，其軸向殘余應(yīng)力與材料基體殘余應(yīng)力相同，為拉應(yīng)力，環(huán)向殘余壓應(yīng)力與基體保持一致。同時(shí)在1 mm深處，軸向與環(huán)向殘余應(yīng)力水平與基體保持一致，說明該加工工藝造成的表面殘余應(yīng)力層深度小于0.01 mm。

2.2 中子衍射試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

中子衍射測(cè)量應(yīng)力的基本原理[18]是通過測(cè)量晶面間距d的變化來計(jì)算彈性應(yīng)變?chǔ)?，從而?jì)算出應(yīng)力場(chǎng)。當(dāng)波長(zhǎng)為λ的單能中子束通過多晶材料樣品時(shí)，對(duì)應(yīng)晶面間距d在滿足布拉格關(guān)系(nλ=2dsinθ)的位置出現(xiàn)衍射峰，通過測(cè)量晶面間距的改變(d-d0)，從而計(jì)算出彈性應(yīng)變?chǔ)?，然后根?jù)應(yīng)變計(jì)算應(yīng)力σ[19]。

應(yīng)變?chǔ)诺挠?jì)算公式:

(1)

應(yīng)力σ的計(jì)算公式:

(2)

式中,σx為x方向的應(yīng)力；Ex為彈性模量；εx,εy,εz分別為x,y,z方向的應(yīng)變；υ為x方向的泊松比。

圖5示出試樣1 mm深度處中子衍射法測(cè)量殘余應(yīng)力結(jié)果。其[200]面峰位較高，即對(duì)[200]面衍射峰進(jìn)行高斯單峰擬合，其擬合結(jié)果如圖5(c)(d)所示。根據(jù)公式(1)，計(jì)算x,y,z方向的應(yīng)變?chǔ)舩(軸向應(yīng)變)，εy和εz(環(huán)向應(yīng)變)分別為：0.000 182,-0.000 079,-0.000 118。根據(jù)公式(2)，計(jì)算得軸向殘余應(yīng)力為9 MPa,環(huán)向殘余應(yīng)力為-5 MPa，得出試樣1 mm深度處軸向受到拉應(yīng)力，環(huán)向?yàn)閴簯?yīng)力。由圖4(c)可以看出，試樣表面的軸向殘余應(yīng)力隨著層深增加，由殘余壓應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)闅堄嗬瓚?yīng)力，腐蝕至1 mm深度處，測(cè)得環(huán)向殘余應(yīng)力結(jié)果與中子衍射法測(cè)試結(jié)果相同，說明X射線衍射法測(cè)得結(jié)果與中子衍射法測(cè)得結(jié)果具有一致性。

(a)軸向[200]面圖譜 (b)環(huán)向[200]面圖譜

(c)軸向晶面間距 (d)環(huán)向晶面間距圖5 [200]晶面圖譜及其單峰擬合結(jié)果Fig.5 [200] crystal plane atlas and its single peak fitting results

2.3 低周疲勞試驗(yàn)

低周疲勞試驗(yàn)所用儀器為液壓伺服萬能試驗(yàn)機(jī)，試驗(yàn)溫度為25 ℃。鋁合金因硬度低、室溫引伸計(jì)刀口鋒利、彈簧或皮筋的裝配方式，在試驗(yàn)過程中刀口易在試樣表面造成缺陷，試樣易斷在刀口處，所以采用帶陶瓷桿的高溫引伸計(jì)進(jìn)行試驗(yàn)。在試驗(yàn)時(shí)，采用應(yīng)變低周疲勞，應(yīng)變比為-1，應(yīng)變?yōu)椤?.005，頻率為0.33 Hz，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。由于其疲勞壽命離散程度低，數(shù)據(jù)分散性小，說明穩(wěn)定的加工工藝對(duì)于本文條件下鋁合金低周疲勞試驗(yàn)的數(shù)據(jù)穩(wěn)定性的影響較弱。

表3 鋁合金疲勞試樣低周疲勞試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Low cycle fatigue test results of aluminum alloy fatigue specimens

3 結(jié)論

(1)3D打印鋁合金經(jīng)低周疲勞試樣加工過程中，改變了其應(yīng)力狀態(tài)由殘余拉應(yīng)力變?yōu)閴簯?yīng)力，加工表面均為殘余壓應(yīng)力且小于150 MPa。車削后表面，軸向殘余壓應(yīng)力隨著磨削-縱拋工序的進(jìn)行逐漸減小；環(huán)向殘余壓應(yīng)力磨削后降低，縱拋后，壓應(yīng)力急劇增高且大于車削后表面。

(2)中子衍射法測(cè)得試樣1 mm深度處的殘余應(yīng)力與材料基體殘余應(yīng)力在同一水平，說明加工工藝對(duì)其內(nèi)部殘余應(yīng)力影響較小。根據(jù)殘余應(yīng)力分布試驗(yàn)，加工產(chǎn)生的應(yīng)力層深度小于0.01 mm。

(3)加工后鋁合金疲勞試樣表面殘余應(yīng)力與基體差值較小，基本處于同一水平,同時(shí)，穩(wěn)定的鋁合金疲勞試樣加工工藝保證了疲勞壽命的穩(wěn)定性，疲勞數(shù)據(jù)分散性小。