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喷丸成形弹坑尺寸对2324铝合金疲劳性能的影响

  • 王强1
  • ， 张炜2

1. 北京航空材料研究院 航空材料先进腐蚀与防护航空科技重点实验室, 北京 100095； 2. 中航飞机股份有限公司西安飞机分公司,西安 710089；

Effects of Shot Peening Formation Cater Size on Fatigue Performance of 2324 Aluminum Alloy

  • WANG Qiang1
  • ， ZHANG Wei2

1. Aviation Key Laboratory of Science and Technology on Advanced Corrosion and Protection for Aviation Material, Beijing Institute of Aeronautical Material, Beijing 100095 , China； 2. AVIC Aircraft Co. Ltd., Xi’an Branch, Xi’an 710089 , China；

通讯作者:

王强(1983—),男(汉),高级工程师,硕士;研究方向:表面强化与表面完整性;E-mail:107584310@qq.com

中图分类号:TG668

文献标识码:A

文章编号:1007-9289(2020)01-0018-06

DOI:10.11933/j.issn.1007-9289.20190331001

参考文献 1
张定辁.残余应力对金属疲劳强度的影响[J].理化检验一物理分册,2002,38(6):231-235.ZHANG D Q.The effects of residual stresses of the fatigue strength of metal [J].Physical Testing and Chemical Analysis Part A:Physical Testing,2002,38(6):23l-235(in Chinese).
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参考文献 2
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参考文献 3
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参考文献 4
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参考文献 6
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参考文献 7
王明涛,曾元松,黄遐.大尺寸弹丸喷丸成形 2024-T351 铝合金表面质量研究 [J].航空制造技术,2012,5:92-95.WANG M T,ZENG Y S,HUANG X.Research on surface quality of 2024-T351 alumiunum alloy by peen forming with large ball [J].Aeronautial Manufacturing Technology,2012,5:92-95(in Chinese).
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参考文献 8
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参考文献 9
MIAO H Y,DEMERS D,LAROSE S,et al.Expermental study of shot peening and stress peen forming [J].Journal of Materials Processing Technology,210(3):2089-2102.
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参考文献 10
SARA B,RAMIN G,MARIO G.Numerical and experimental analysis of surface roughness generated by shot peeing [J].Applied Surface Science,258(5):6831-6840.
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参考文献 11
CURTIS S,DE LOS RIOS E R,RODOPOULOS C A,et al.Analysis of the effects of controlled shot peening on fatigue damage of high strength aluminium alloys[J].International Journal of Fatigue,2003,25:59-66.
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目录contents

    摘要

    定性和定量分析喷丸成形弹坑尺寸对 2324 铝合金疲劳性能的影响,研究改善喷丸成形零件疲劳性能的工艺方法。 采用白光干涉仪测试不同喷丸成形工艺下的弹坑尺寸,测试分析其对应的轴向拉伸疲劳寿命。 结果表明:喷丸能量越大,则弹丸深度(H)越大、弹坑直径(R)也越大,喷丸成形后再进行喷丸强化处理,则弹坑直径增大 19%,弹坑深度减小 58%。 喷丸成形引入深弹坑使疲劳裂纹源过早的形成和发展,造成预拉伸处理的喷丸成形上限试样疲劳寿命降低 61%,成形上限+喷丸强化试样疲劳寿命比仅喷丸成形试样提高 140%。 H/ R 值与机械加工状态试样平均疲劳寿命(L0 ) / 喷丸状态试样平均疲劳寿命(L)值呈现较好地线性关系,说明 H/ R 值可较好的表征喷丸成形造成的表面应力集中程度。

    Abstract

    In order to research for the technology about the improvement of the shot peening formation parts, the influence of shot peening formation cater size on the 2324 aluminum alloy fatigue life was studied by quantitative and qualitative analysis. The surface quality and fatigue performance of 2324 aluminum alloy were studied by white-light interferometer technique and axialtension fatigue life test. Results show that, with the increasing of shot peening energy, the depth of crater (H) and diameter of crater (R) increase, shot peening strengthening (SPS) on the shot peening formation(SPF) surface could increase the value of R by 19% and reduce the value of H by 58%. Deep craters induced by SPF process arise fatigue cracks initiation easier and propagation faster, therefore the fatigue life of SPF sample reduced by 61% which was pre-stretched. The fatigue life of SPF+ SPS process samples were longer than SPF samples by 140%. Linear relationship between the value of H/ R and the value of machining samples average fatigue life / SPF samples average fatigue life was found, which proved that the value of H/ R could be used to evaluate the stress concentration factor of SPF surface

  • 0 引言

  • 喷丸是使用圆形弹丸在气动力、离心力或其他动力源作用下,高速撞击金属材料表面,使材料表层发生弹塑性变形进而产生应力和微观组织结构的变化,喷丸主要用途包括喷丸强化和喷丸成形。 在航空制造业中,喷丸强化主要用于提高飞机承力部件的疲劳性能[1-4],喷丸成形主要用于飞机机翼壁板小曲率成形,喷丸成形技术具有生产效率高、适用范围广等显著优势,成形出的零件表现出优异的服役性能,因此喷丸成形已成为许多支线飞机及波音、空客等大型干线飞机机翼壁板成形的首选方法[5-6],一般认为,喷丸成形可在表层引入残余压应力场,同时具有喷丸强化的作用,对提高零件疲劳性能有利,但随着成形壁板厚度的增大以及整体加筋壁板喷丸成形技术的发展,喷丸成形需要使用更大尺寸的弹丸和更高的能量[7-8],造成喷丸成形表面质量恶化,进而影响零件的疲劳性能。 已有研究通过理论分析和计算研究喷丸表面形貌形成的机理和喷丸形成的表面应力集中系数,并定性讨论其对疲劳性能的影响[9-10],但是尚未查询到将喷丸成形表面质量与疲劳性能建立定量关系的报道。 文中从定量和定性角度分析了喷丸成形弹坑尺寸和喷丸强化对铝合金疲劳寿命的影响,为提高喷丸成形表面质量提供参考。

  • 1 试验准备及材料

  • 试验所用材料为2324 铝合金,化学成分如表1 所示。 2324 铝合金是在2024 铝合金的基础上降低了其中所含的有害成分Fe,Si的含量,并进一步提高其力学性能开发出的一种高性能铝合金,被广泛应用于制造飞机机翼壁板和蒙皮。

  • 表1 2324 铝合金的化学成分

  • Table1 Chemical composition of aluminum alloy 2324

  • 试验用试样为板形拉-拉疲劳试样,试样厚度5 mm,棱边倒圆 R 2.5 mm,倒圆后圆弧与试样表面相切,如图1 所示。 试样喷丸成形和喷丸强化处理在气动式数控喷丸机上进行,试样共5组,每组7 件,喷丸参数见表2。

  • 喷丸成形使用的钢丸牌号为ZG160,喷丸强化使用的陶瓷丸牌号为Z425,喷丸强化工艺的喷丸强度为0.10 mmA,覆盖率为100%。 为屏蔽喷丸残余应力对疲劳性能影响,在试样喷丸后、疲劳寿命测试前对试样进行预拉伸处理,预拉伸伸

  • 图1 疲劳试样尺寸示意图

  • Fig.1 Schematic diagram of fatigue specimen size

  • 表2 2324 铝合金试样喷丸工艺参数

  • Table2 Parameter of shot peening process on aluminum alloy 2324

  • 长率为2%。 疲劳试验在高频疲劳试验机上进行,测试条件:最大应力 σmax=230 MPa,应力比R=0.06,频率100 Hz。 使用MicroXAM型白光干涉仪观察表面形貌,放大倍数为10 倍,并在二维形貌图上沿弹坑直径方向截取横截面,在横截面的线扫描路径上测定弹坑的尺寸,如图2 所示。

  • 图2 喷丸成形弹坑尺寸测量方法示意图

  • Fig.2 Measurement of shot peening formation crater size

  • 2 结果与讨论

  • 2.1 喷丸表面的形貌

  • 不同工艺状态下试样三维形貌见图3,分析可得:机械加工(M)试样表面非常光滑,仅有规则排列的细微加工痕迹;喷丸成形上限( SPF-Ⅲ)试样表面布满冲击弹坑,弹坑大而深, 喷丸成形中限( SPF-Ⅱ)、喷丸成形下限( SPF-Ⅰ)冲击弹坑尺寸减小;喷丸成形上限+强化( SPF-Ⅲ+SPS) 表面已无喷丸成形的弹坑痕迹,残留的是喷丸强化的弹坑痕迹,此弹坑更加密集且深度较小。

  • 图3 不同喷丸成形工艺的2324 铝合金表面三维形貌

  • Fig.3 3D morphologies of different shot peening formation process on aluminum alloy 2324

  • 2.2 喷丸弹坑的尺寸

  • 不同喷丸工艺下试样表面弹坑尺寸见表3,可见喷丸成形能量越大,则弹丸深度越大、弹坑直径也越大,与成形下限工艺相比,成形上限工艺表面弹坑深度增大3 倍,弹坑直径增大94%;喷丸成形上限工艺处理后再进行喷丸强化,则弹坑直径增大19%,弹坑深度减小58%,说明喷丸强化后表面应力集中得到改善。 机械加工表面无弹坑,则 R 值无穷大,H 值为零。

  • 表3 喷丸成形工艺参数对2324 铝合金弹坑之间和深度的影响

  • Table3 Effects of the shot peening formation process on value R and H

  • 2.3 试样的疲劳性能

  • 不同喷丸工艺下试样的平均疲劳寿命见表4,可知随喷丸能量增大,试样疲劳寿命降低,与机械加工试样相比,成形下限试样平均疲劳寿命由45.7 万次降低至33 万次,降幅为28%,成形上限试样平均疲劳寿命由45.7 万次降低至17.8 万次,降幅为61%,成形上限+喷丸强化试样疲劳寿命显著高于仅喷丸成形试样,与机械加工试样疲劳寿命相当,说明喷丸成形后再进行喷丸强化处理,可改善试样的疲劳性能。

  • 表4 2324 铝合金试样疲劳寿命测试结果

  • Table4 Fatigue life of aluminum alloy 2324 samples

  • ∗ σmax: 280 MPa, R :0.06

  • 2.4 喷丸表面质量对疲劳性能的影响

  • 从定性角度分析,喷丸在铝合金表面形成冲击弹坑,当喷丸能量较大时,形成弹坑较深,即引入较大的应力集中系数 Kt 值,试样在受疲劳载荷过程中疲劳裂纹源将首先诱发于弹坑根部。如图4( a) 疲劳试样断口所示,疲劳裂纹源萌生于试样大面的外表面处,说明外表面处局部是薄弱位置,图4( b)疲劳试样表面可见弹坑底部裂纹,可知在疲劳过程中试样表面众多弹坑底部均可能形成疲劳裂纹源,深弹坑在循环应力作用下由于剧烈的应力集中而较早形成疲劳裂纹源,部分形成贯穿裂纹而发生疲劳破坏,造成喷丸成形上限工艺试样疲劳裂纹萌生寿命和总疲劳寿命较低。 扫描电镜照片分析结果表明,喷丸成形在材料表面形成的深弹坑在疲劳过程中是易形成疲劳裂纹源的危险区域,疲劳裂纹源过早的形成和发展是喷丸成形试样疲劳寿命降低的主要原因。

  • 图4 2324 铝合金试样疲劳断口和表面形貌

  • Fig.4 Fatigue fracture and surface morphologies of aluminum alloy 2324 samples

  • 因此为定量分析喷丸表面质量与疲劳性能的关系,文中以 H/R 值为自变量,以喷丸状态试样平均疲劳寿命( L)/机械加工状态试样平均疲劳寿命( L0) 比值为变量,进行线性分析,如图5所示,除成形上限+喷丸强化状态偏离较大外,其他各点均分布在直线附近,呈现线性关系。

  • 图5 2324 铝合金喷丸成形弹坑尺寸与其疲劳寿命的定量关系

  • Fig.5 Quantitative relationship of shot peening formation crater dimension and fatigue life on aluminum alloy 2324 samples

  • 对于喷丸表面的形貌特征,应力集中系数Kt 主要与喷丸表面弹坑直径( R) 和弹坑深度(H)相关[11],工程中常用“ q ” 值表征一种材料的应力集中敏感性,“ q ” 值的数学表达式为式(1), 当材料、服役条件确定时, “ q ”为定值,文中用某一确定试验载荷下的疲劳寿命降低系数近似替代疲劳强度降低系数“ Kf”,将式( 2) 应用于文中,则 R/H 比值与喷丸状态试样平均疲劳寿命/机械加工状态试样平均疲劳寿命比值存在线性关系,与文中试验结果较好吻合,说明H/R 值可以作为表征喷丸成形表面质量的参量,用来定量评定喷丸成形对铝合金疲劳性能的影响。 在图5 中,成形上限+喷丸强化状态与直线偏离较大,主要是因为与成形相比,强化覆盖率较高,强化后成形表面弹坑被强化弹坑破坏,且强化弹坑之间相互干涉,无法准确测量到单个弹坑的形貌尺寸。

  • q=Kf-1Kt-1
    (1)
  • Kf= 喷丸试样疲劳性能 机械加丁试样疲劳性能 =a+bKt=A+BHR
    (2)

  • 3 结论

  • (1) 喷丸成形引入深弹坑使疲劳裂纹源过早的形成和发展,对疲劳性能造成不利影响,其中喷丸成形上限状态试样平均疲劳寿命降低61%。

  • (2) 喷丸成形后再进行喷丸强化处理,表面弹坑 R 值增加,H 值降低,对于喷丸成形上限工艺进行喷丸强化后弹坑直径增大19%,弹坑深度减小58%,喷丸表面应力集中得到改善,试样平均疲劳寿命比喷丸成形上限状态试样提高140%。

  • (3) H/R 值与机械加工状态试样平均疲劳寿命(L0)/喷丸状态试样平均疲劳寿命( L)值呈现较好的线性关系,说明 H/R 值可以作为表征喷丸成形表面质量的参量,用来定量评定喷丸成形对铝合金疲劳性能的影响。

  • 参考文献

    • [1] 张定辁.残余应力对金属疲劳强度的影响[J].理化检验一物理分册,2002,38(6):231-235.ZHANG D Q.The effects of residual stresses of the fatigue strength of metal [J].Physical Testing and Chemical Analysis Part A:Physical Testing,2002,38(6):23l-235(in Chinese).

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  • 基本信息

    中图分类号: TG668
    文献标识码: A
    DOI: 10.11933/j.issn.1007-9289.20190331001
    文章编号: 1007-9289(2020)01-0018-06

    基金信息

    引用信息

    王强, 张炜. 喷丸成形弹坑尺寸对 2324 铝合金疲劳性能的影响[J]. 中国表面工程, 2020, 33(1): 18-23.

    WANG Q, ZHANG W. Effects of shot peening formation cater size on fatigue performance of 2324 aluminum alloy[J]. China Surface Engineering, 2020, 33(1): 18-23.

    稿件历史

    收稿日期: 2019-08-31
    修回日期: 2020-01-08

  • 参考文献

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