不同表面處理對(duì)7N01板材鋁合金疲勞性能的影響

關(guān)鍵詞： 7N01 板材； 表面處理； 疲勞性能

1 引言

商用飛機(jī)為了保證自重及安全性，采用高強(qiáng)鋁合金作為主要制造材料，在不同位置選用不同牌號(hào)的鋁合金，鋁合金的使用量已經(jīng)達(dá)到結(jié)構(gòu)質(zhì)量的80% 以上. 鋁合金具有強(qiáng)度高、耐腐蝕以及容易加工等特點(diǎn)，“比強(qiáng)度”勝過(guò)很多合金鋼，在輕量化方面是一種理想的輕金屬結(jié)構(gòu)材料，并且其工藝也十分成熟. 使用鋁合金材料可以在同等強(qiáng)度下有效減少結(jié)構(gòu)的自重，采用鋁合金代替鋼板材料的焊接，結(jié)構(gòu)重量可以減輕50% 以上，并且鋁合金耐腐蝕性能好，可延長(zhǎng)商用飛機(jī)的使用壽命［1-5］. Al-Zn-Mg 合金（7000 系鋁合金）因其密度低、母材強(qiáng)度高、焊接性能優(yōu)異等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航空航天、高速鐵路等領(lǐng)域［6］. 7 系中的7N01 鋁合金又具有優(yōu)異的擠壓性能、有效性能和良好的耐腐蝕性，滿足易設(shè)計(jì)、易制造、強(qiáng)度高、重量輕以及安全性高等要求，常被應(yīng)用于高速且復(fù)雜的情況［7-9］.

7N01 鋁合金雖然具有強(qiáng)度高、重量輕、易加工和耐腐蝕性好等優(yōu)點(diǎn)，可以作為主要的受力結(jié)構(gòu)件使用，但實(shí)際使用中易在疲勞載荷下發(fā)生失效斷裂. 疲勞失效是較為常見的一種失效形式，疲勞壽命是衡量零件服役時(shí)長(zhǎng)的關(guān)鍵性因素之一.隨著鋁合金航天應(yīng)用裝備技術(shù)的快速發(fā)展，裝備的關(guān)鍵材料和部件大部分都承受疲勞的載荷，對(duì)表面裂紋萌生和啟裂敏感性也在提高. 因此，研究7N01 鋁合金的損傷容限，杜絕災(zāi)難性的斷裂，提高鋁合金疲勞性能是鋁合金材料應(yīng)用的一個(gè)極為重要的關(guān)鍵內(nèi)容［10，11］.

7N01 鋁合金的應(yīng)力集中和表面狀態(tài)是影響疲勞性能的兩大因素［12］. 其中表面光潔度和表面缺陷等會(huì)改變應(yīng)力集中和影響表面狀態(tài)，從而影響合金的疲勞性能. 通常情況下，試樣的表面光潔度越高，疲勞強(qiáng)度越高. 若7N01 鋁合金的表面存在缺口或者缺陷，在缺口處會(huì)產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中，使試樣的疲勞強(qiáng)度大幅度降低. 而提高7N01 鋁合金的表面光潔度（例如電解拋光）可以消除試樣表面的缺陷，減少應(yīng)力集中，從而提升疲勞強(qiáng)度［12-14］.

前期Chen 等 ［15］對(duì)7N01 型材鋁合金疲勞性能進(jìn)行了研究，結(jié)果表明通過(guò)噴砂處理后7N01 型材疲勞強(qiáng)度提升了約42. 9%，通過(guò)拋光處理后7N01型材疲勞強(qiáng)度提升了約10. 7%. 認(rèn)為這兩種表面處理對(duì)鋁合金的疲勞強(qiáng)度有積極的影響. 故本文選取關(guān)鍵結(jié)構(gòu)材料7N01 鋁合金板材，研究不同表面條件（原始、噴砂處理、電拋光處理）對(duì)交變載荷下合金條件疲勞強(qiáng)度和裂紋行為的影響機(jī)理.

2 實(shí)驗(yàn)

2. 1 材料

本實(shí)驗(yàn)材料主要采用7N01-T5 板材，其化學(xué)成分見表1. T5 熱處理規(guī)范為鋁合金在475 ℃固溶處理2 h 后，立即進(jìn)行水淬處理，然后在120 ℃人工時(shí)效24 h.

2. 2 樣品表面處理

將7N01 材料用機(jī)械加工樣品成形，然后在最大受力面上制備不同加工表面. 將其分為A、B、C共3 組，每組10 個(gè)試件，在不同的表面條件下進(jìn)行加工，如表2 所示. 板材原始表面A 只需要通過(guò)機(jī)械拋光達(dá)到較低粗糙度的表面即可. 電解拋光處理的表面B 在原始表面的基礎(chǔ)上，再通過(guò)電機(jī)械拋光和電解拋光達(dá)到少/無(wú)壓應(yīng)力狀態(tài)的低粗糙度表面. 噴砂處理的表面C 在原始表畫的基礎(chǔ)上，再通過(guò)噴砂處理達(dá)到有壓應(yīng)力狀態(tài)的表面. 對(duì)3 種表面的樣品測(cè)試表面粗糙度和表面應(yīng)力狀態(tài)，并觀察鑒定表面的顯微組織、形貌和分布狀態(tài). 在電解拋光過(guò)程中溫度為10～20 ℃，電壓為20 V，陰極為一塊不銹鋼板. 通電時(shí)間為2 min. 電解拋光溶液為10% 高氯酸+90% 無(wú)水乙醇（體積分?jǐn)?shù)） . 噴砂處理過(guò)程中噴砂為46 目白剛玉，噴射時(shí)壓力約為0. 4～0. 6 MPa 之間.

2. 3 測(cè)試

采用GTK-I 型白光干涉儀對(duì)7N01 鋁合金試樣在不同表面條件下的表面粗糙度進(jìn)行了測(cè)試.采用DHV-1000ZTEST 數(shù)字顯微硬度計(jì)進(jìn)行顯微硬度測(cè)試. 試驗(yàn)采用LETRY 公司的PG-100 型疲勞實(shí)驗(yàn)機(jī)，對(duì)疲勞性能進(jìn)行了測(cè)試. 用 JEM-7800F 掃描電鏡（SEM）觀察顯微組織.

3 結(jié)果

3. 1 表面粗糙度（Ra）結(jié)果

經(jīng)過(guò)表面工藝的處理后，3 種表面處理后的7N01 板材表面粗糙度大小如表3 所示. 其粗糙度大小依次為噴砂表面gt; 原始表面gt; 電解拋光表面，并且噴砂后表面粗糙度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于原始表面和電解拋光表面. 而電解拋光后其粗糙度相比原始表面下降較低，可能的原因是原始表面的光潔度較高. 圖1 為不同表面處理后的白光干涉三維形貌圖，7N01 板材表層加工痕跡較淺，原始表面的加工痕跡肉眼不易察覺，在經(jīng)過(guò)電解拋光后表層加工痕跡明顯淡化. 噴砂后的7N01 板材表面加工痕跡完全消失，材料表面均成為凹凸不平的粗糙噴砂表面.

3. 2 顯微硬度結(jié)果

圖2 為7N01 板材在不同表面狀態(tài)下的顯微硬度測(cè)試結(jié)果. 從圖2 中可以看出，在經(jīng)過(guò)電解拋光后7N01 板材的表面硬度與原始表面基本一致，顯微硬度基本無(wú)明顯變化. 因此采用灰色虛線為原始表面與電解拋光表面硬度趨勢(shì). 采用藍(lán)色虛線為噴砂后試樣的硬度趨勢(shì)化. 可發(fā)現(xiàn)其經(jīng)過(guò)噴砂工藝處理后，相比較原始表面硬度有所提高. 7N01板材的表面硬度從34 HV（1 HV=9. 8 MPa）增加到58 HV，提高了70%. 同時(shí)發(fā)現(xiàn)7N01 板材的表層組織與心部組織硬度有很大差異，原始表面硬度（34 HV）僅僅為心部硬度（129 HV）的26%，經(jīng)過(guò)噴砂后雖然硬化提升幅度明顯，但也僅為心部硬度的45%，仍然存在很大的差距.

3. 3 7N01 板材的微觀顯微組織

圖3 為7N01 板材的微觀顯微組織圖. 從圖3a可以看到7N01 板材截面外表層與內(nèi)層具有分層的現(xiàn)象. 7N01 板材距表層（如圖3e 和3f）約270 μm組織呈白色，與心部組織具有很大區(qū)別. 7N01 板材心部與型材截面類似，沿軋制方向上晶粒擠壓變形沿應(yīng)力方向生長(zhǎng)伸長(zhǎng)（如圖3b 和3e）. 心部與表層白色組織間無(wú)過(guò)渡區(qū)域. 此外7N01 板材與7N01 型材［15］相比，其表層質(zhì)軟，極易產(chǎn)生劃痕，沒有明顯的受擠壓作用晶粒受迫排布的情況和沒有明顯的晶粒取向生長(zhǎng)情況. 7N01 型材由于鑄錠中的晶粒在加工中受擠壓方向的拉力，晶粒沿最大主變形方向被拉長(zhǎng)、拉細(xì)，晶體滑移方向轉(zhuǎn)向與拉伸軸向平行，大多數(shù)晶粒聚集到拉伸取向上擇優(yōu)取向，有明顯的受擠壓作用晶粒受迫排布的情況.

將圖3e 中7N01 板材表層向心部交界位置進(jìn)行線掃描， 如圖4 所示. 可以發(fā)現(xiàn)在從表層到心部，發(fā)生含量變化最大的是Al、Mg、Zn 等3 種元素，其中Al 作為基體元素，占據(jù)比重最大. 從線掃描結(jié)果上來(lái)看，表層到心部Al 元素減少了，而Mg、Zn 元素增加. 這說(shuō)明表層白色組織大部分為Al，同時(shí)含有少量其他元素. 由于鋁的質(zhì)地很軟，而7N01 板材表層Al 含量相對(duì)內(nèi)部增多，這是在制樣過(guò)程中表層容易留下劃痕的原因.

3. 4 7N01 板材不同表面處理后的微觀顯微組織

如圖5 為3 種不同表面狀態(tài)下的二次電子圖像（SEM），可以看到7N01 板材表層加工痕跡完全消失，但是存在部分電解拋光后形成的淺腐蝕痕跡. 通過(guò)前面的板材表層線掃描結(jié)果可以看出，這應(yīng)當(dāng)與板材表層成分變化有關(guān). Al 化學(xué)性質(zhì)十分活潑，在電解拋光中作為陽(yáng)極時(shí)電化學(xué)腐蝕效率更容易形成腐蝕痕. 從板材表面粗糙度測(cè)試可以看出，板材經(jīng)過(guò)電解拋光后的表面粗糙度是表現(xiàn)為降低的，這說(shuō)明在電解拋光后表層加工痕跡的消失，對(duì)于板材表面光潔度的提高作用大于淺腐蝕痕跡的作用. 經(jīng)噴砂后的表面無(wú)明顯差別，轟擊后均表面凹凸不平，鋁合金表面存在一定的損傷，7N01 板材鋁合金的加工痕跡均完全消失.

3. 5 試件疲勞結(jié)果

圖6 為7N01 板材鋁合金在室溫下不同表面條件下的S-N 圖. 一方面，降低材料的應(yīng)力集中，材料表面粗糙度越小，疲勞強(qiáng)度越高. 通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的比較，電解拋光工藝對(duì)于提高7N01 板材的疲勞極限基本沒有產(chǎn)生影響，材料的疲勞極限未產(chǎn)生明顯變化. 雖然電解拋光后對(duì)于表面的粗糙度有一定的降低，但是并沒有起到有效提高疲勞極限的作用. 這應(yīng)當(dāng)是由于7N01 板材在加工完成后表面已經(jīng)具有較高的光潔度，因此電解拋光后疲勞極限的提升并不明顯. 此外電解拋光后存在部分淺腐蝕痕跡（如圖5），這是由于Al 化學(xué)性質(zhì)十分活潑，在電解拋光中作為陽(yáng)極時(shí)電化學(xué)腐蝕效率形成的腐蝕痕，故表現(xiàn)出較為分散的S-N 圖. 表現(xiàn)在結(jié)果上為電解拋光工藝對(duì)于7N01 板材的疲勞極限幾乎不存在提升.

另一方面，加強(qiáng)表面處理（噴砂處理等）可以提高試件疲勞強(qiáng)度. 此外在經(jīng)過(guò)噴砂處理后，與原始表面相比，疲勞強(qiáng)度提升了26. 1%. 但相較于7N01 型材［15］，其上升的效果并不顯著. 這是因?yàn)?N01 板材距表層約270 μm 組織呈白色，與心部組織具有很大區(qū)別. 雖然經(jīng)過(guò)噴砂后表層硬度提升幅度更大，但是其硬度與心部硬度仍然有較大差異（表層為心部的45%），在疲勞試驗(yàn)過(guò)程中并沒有起到抵抗裂紋萌生、擴(kuò)展的作用，因此噴砂工藝對(duì)于7N01 板材的疲勞極限提升沒有達(dá)到7N01 型材的效果.

3. 6 微觀斷口形貌

根據(jù)前面的試驗(yàn)結(jié)果，可以知道7N01 板材表層組織中主要為Al，其余元素占比較心部低很多.圖7 為7N01 板材原始表面斷口形貌圖，從7N01 板材斷口圖可以看到，試樣表層與內(nèi)層斷裂后存在差異. 表層組織存在一定雜質(zhì)與氣孔，易產(chǎn)生韌性斷裂（如圖7b 和7c）. 而裂紋發(fā)展到心部可以看到明顯的解理臺(tái)階（如圖7d 和7e），解離臺(tái)階存在向心部的和沿表面的兩個(gè)方向，而沿表面的解理臺(tái)階方向要比向心部的更明顯，這說(shuō)明裂紋擴(kuò)展在沿表面的速度比向心擴(kuò)展速度更快，裂紋更傾向于沿表面生長(zhǎng). 這也與7N01 板材宏觀斷口眾裂紋的擴(kuò)展程度表現(xiàn)一致.

圖8 為7N01 板材噴砂表面的斷口形貌. 圖8a中可以看到，在表層有較為明顯的分界線. 圖8b為疲勞裂紋源區(qū)，裂紋擴(kuò)展方向向材料心部（圖8a），從裂紋源（圖8b）中可以看出為韌性斷裂，裂紋源與在表層以下. 與原始表面試樣類似，噴砂表面的斷口心部也存在與表面平行的裂紋擴(kuò)展軌跡（圖8c）. 在圖8c 中可以看到沿著平行方向與向心部方向的裂紋擴(kuò)展的交匯，最終形成了一條裂紋斷裂帶（圖8d）.

4 結(jié)論

本課題研究了電解拋光表面、原始表面和噴砂表面等3 種不同表面處理后的7N01 板材鋁合金的粗糙度（Ra）、硬度和疲勞性能.（1） 不同表面處理后表面粗糙度依次為噴砂表面gt;原始表面gt;電解拋光表面.（2） 可發(fā)現(xiàn)其經(jīng)過(guò)噴砂工藝處理后，相比較原始表面硬度有所提高. 7N01 板材的表面硬度從34 HV 增加到58 HV，提高了70%.（3） 在經(jīng)過(guò)噴砂處理后，與原始表面相比，疲勞強(qiáng)度提升了26. 1%. 但相較于7N01 型材，其上升的效果不顯著. 這是因?yàn)?N01 板材距表層約270 μm 組織呈白色，與心部組織具有很大區(qū)別. 雖然經(jīng)過(guò)噴砂后表層硬度提升幅度更大，但是仍然與心部硬度有較大差異（表層為心部的45%），在疲勞試驗(yàn)過(guò)程中并沒有起到抵抗裂紋萌生、擴(kuò)展的作用.（4）電解拋光后對(duì)于表面的粗糙度有一定的降低，但是并沒有起到有效提高疲勞極限的作用. 這是因?yàn)殡娊鈷伖夂蟠嬖诓糠譁\腐蝕痕跡，由于Al 化學(xué)性質(zhì)十分活潑，在電解拋光中作為陽(yáng)極時(shí)電化學(xué)腐蝕效率形成的腐蝕痕.