超声波喷丸覆盖率对AA2024疲劳性能的影响_史学刚

表面粗糙度 超声波喷丸后的表面粗糙度分布如图 2 所示。 从 图中可以看出， 超声波喷丸处理后试样的表面粗糙度
最大接近 2 μm， 粗糙度值随着喷丸覆盖 值明显增大， 粗糙的表面会引起 率的增大而略有减小。 研究表明， 影响到材料的疲劳寿命 。 因 明显的载荷应力集中， 此， 可以通过提高覆盖率来减小试样的表面粗糙度值 。
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布对于疲劳性能具有较大的影响 。超声波喷丸后的残 余应力场如图 4 所示。 随着覆盖率的增加， 表面残余 压应力和最大残余压应力均有所增大 。经过不同表面 残余压应力在深度 120 μm 左右达到 覆盖率喷丸后， 最大值。喷丸覆盖率达到 300% 时， 最大残余压应力 达到 － 293. 5 MPa， 相比之下， 覆盖率为 100% 和 200% 时， 最大残余压应力分别 为 － 252. 3 MPa 和 － 281. 2 MPa。另一方面， 喷丸覆盖率达到 100% 时， 残余压应 力场深度仅为 300 μm； 覆盖率达到 200% 和 300% 时， 残余压应力场深度在 350 ～ 400 μm 之间。
图 5 是经过不同覆盖率喷丸后， 半高宽随深度的 。 ， 变化趋势 与未喷丸试样相比 超声波喷丸后试样的 半高宽显著增大， 表面半高宽值随覆盖率的增大而增 大， 半高宽值随着深度增加而减小。 当深度超过 125 μm 时， 半高宽值基本不变， 与残余压应力场深度 （ 300 μm 左右） 相比， 超声波喷丸对半高宽影响层深度要小 很多。对于超声波喷丸， 半高宽变化的主要原因是由
* 国家自然基金项目： 高能高应变率金属板料超声喷丸成形的基础研究（ 51175257 ） · 144 ·
100% 时的喷丸效果却还没有定性的结论 。实际上， 不 同的覆盖率喷丸对表面完整性及疲劳寿命有很大影 响。因此， 很有必要开展超声波喷丸覆盖率对铝合金 高周疲劳性能的影响研究。 以 AA2024 为研究对象， 开展了超声波喷丸对于铝合金表面完整性和疲劳寿命 200% 、 300% ） 对 分析了覆盖率 （ 100% 、 影响的研究， AA2024 高周疲劳性能的影响。
3 E 为 68 GPa， 密度 ρ 为 2 770 kg / m 。热处理方式为固
溶处理加自然时效处理。 1 ． 3 试验方法 试验前对 AA2024 试样表面进行机械抛光处理， 以获得光洁平整的表面， 然后采用超声波喷丸装置对 试样进行双面喷丸以保持试样的平整 。超声波喷丸采 B 和 C， 用 3 种不同的规范， 分别记为 A、 其工艺参数 如表 1 所示。 2． 3 残余应力场 超声波喷丸产生的残余应力大小及残余应力的分
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率存在一个优化值， 利用这个优化值进行喷丸， 可以获 得最佳的残余压应力场分布。 因此， 选择优化的覆盖 率可以显著提高试样的表面完整性及疲劳性能 。 （ 2 ） 超声波喷丸对微观组织的影响是提高疲劳寿 命的另一种重要的作用， 在交变载荷的作用下， 位错密 度较大的冷作硬化组织可以增大裂纹扩展的激活能 ， 阻碍裂纹扩展 ， 提高疲劳寿命 。 半高宽主要反映了表 （ 下转第 150 页）
［1 ］ 器、 交通运输等行业最重要的结构材料之一 。 实际 使用中的 AA2024 零部件绝大部分承受交变载荷的作
高效和聚焦下的大能量， 使金属表层产生剧烈的塑性 ［2 ］ 变形 。同时在喷丸区域呈现高密度位错和有益的 残余压应力分布， 从而能够显著提高零部件的强度及 疲劳寿命。超声波喷丸作为一种节能、 绿色、 先进的新 型技术， 在航空航天、 汽车等领域中有着广泛的应用。 覆盖率是喷丸的重要参数。国外研究学者已经非 相关国防报告 报 常重视覆盖率对疲劳性能的影响， 道了喷丸覆盖率对 4340 钢常温抗拉疲劳性能影响。 然而在我国， 目前还没有文献专门对超声波喷丸覆盖 率进行深入的研究； 在工程应用中， 虽然已经肯定了 100% 覆 盖 率 对 喷 丸 效 果 的 影 响， 但是覆盖率高于
AA2024 高周疲劳寿命分别达到 1． 5 × 10 6 、 3. 2 × 10 6 和 6 4. 3 × 10 次， 其中， 以 300% 覆盖率喷丸后寿命增益最 为明显， 比未喷丸的原始试样提高了 5 倍以上。
2．Leabharlann Baidu4
半高宽 X 射线衍射峰半高宽（ FWHM） 指的是衍射峰最大 强度 1 /2 处所占的角度范围。 在仪器固定的情况下，
于冷作硬化程度上升以及位错增殖 。半高宽数值的增 大是冷作硬化的体现， 随着覆盖率的增加， 循环塑性形 变次数增加， 冷作硬化加剧。 2 ． 5 高周疲劳寿命 覆盖率对疲劳寿命的影响如图 6 所示。经过不同 AA2024 的高周疲劳寿命 覆盖率的超声波喷丸之后，
5 明显增加。未喷丸试样的疲劳寿命在 8 × 10 次左右， 200% 和 300% 覆 盖 率 超 声 波 喷 丸 后， 而进行 100% 、
3
分析和讨论
半高宽反映了材料冷作硬化程度、 微观残余应力的大 ［6 ］ 小以及晶体内部位错密度的高低 。
通过疲劳试验可以发现： 超声波喷丸的覆盖率对 AA2024 的疲劳性能有很大影响， 而疲劳性能则是表 面完整性的综合表现， 超声波喷丸对于表面完整性的 影响主要包括 3 个方面： （ 1 ） 残余应力场； （ 2 ） 微观组 织； （ 3 ） 表面粗糙度。 （ 1 ） 超声波喷丸可以在试样表面层引入数值深度 该残余压应力场起到了重要 均较大的残余压应力场， 的抗疲劳作用。较大的残余压应力既可以抵抗外部交 变应力， 还能抑制疲劳裂纹的萌生； 较深的残余压应力 ［7 ］ 场能够阻止裂纹在较深范围内的扩展 。 因此， 超声 波喷丸可以明显提高 AA2024 的疲劳抗力。 采用不同 覆盖率喷丸， 得到的残余应力分布也不同， 而喷丸覆盖
表1
试样编号 A B C
AA2024 超声波喷丸工艺参数
喷丸时间 / min 5 10 15 覆盖率 100% 200% 300%
2
2． 1
试验结果
1
1． 1
试验条件
试验设备
采用由南京航空航天大学自主研制的超声波喷丸 ［4 ］ 装置（ 如 图 1 所 示 ） 进 行 超 声 波 喷 丸 试 验 ； 采 用 TＲ101 袖珍式表面粗糙度仪测定超声波喷丸后试样的 表面粗糙度 Ｒ a 值； 采用 MVC － 1000A1 型显微硬度计 对超声波喷丸后沿深度方向的显微硬度进行测量 ， 载 荷选择 200 g， 载荷时间为 15 s； 采用 MSF － 3M 型 X 射 线衍射残余应力测试仪， 使用交相关定峰法进行了残 余应力场测试和衍射峰半高宽分析； 采用 PLG － 100C 型高频疲劳试验机， 测量未喷丸试样和不同超声波喷 丸覆盖率试样的横幅轴向应力拉 － 拉疲劳性能。
关键词： 超声波喷丸 中图分类号： TG113
覆盖率
残余应力场 疲劳寿命 文献标识码： A
Effect of ultrasonic shot peening coverage on the fatigue life of AA2024
SHI Xuegang，XUE Jiangang，ZHANG Lei （ College of Mechanical and Electrical Engineering，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016 ，CHN） Abstract ： AA2024 was peened by ultrasonic shot peening machine，with the same peening intensity and the differ200% ， 300% ） ． The changes of surface integrity such as roughness，micro hardent coverages （ 100% ， ness，residual stress profile and full wave at half maximum caused by different ultrasonic shot pening coverage and their effects on high cycle fatigue life were studied． The results show that shot peening coverage has significant influence on surface integrity and fatigue life． Compared with the other shot peening coverage ，AA2024 has the smoother surface （ Ｒ a = 1 ． 6 μm） ，higher micro hardness，excellent residual stress profile and stable micro － structure when sample under 300% shot peening coverage． AA2024 fatigue life was improved by about 5 times by these factors influence． Moreover，the fatigue life was improved by 2 times and 4 times under 100% and 200% shot peening coverage respectively． Keywords： Ultrasonic Shot Peening； Coverage； Ｒesidual Stress Profile； Fatigue Life AA2024 是超硬铝合金， 具有高比强度和比刚度、 较好的耐腐蚀性和较高的韧性等优点 ， 是航空航天、 兵
［5 ］
2． 2
显微硬度 显微硬度沿层深分布如图 3 所示。从图中可以看
出， 超声波喷丸后试样表面及沿层深的显微硬度得到 明显提高， 且随覆盖率的增大而提高， 未喷丸试样沿层 1． 2 试验材料 深的显微硬度值基本趋于一致。 同一覆盖率下， 试样 之后趋于平缓。 显微硬度随深度的增加而下降，
试验材料采用 AA2024 。室温 20 ℃ 下的力学性能 如下： 抗 拉 强 度 σ b 为 470 MPa， 屈 服 强 度 σ0． 2 为 325 MPa， 伸长率 δ 为 10 % ， 显微硬度为 170 HV， 弹性模量
超声波喷丸覆盖率对 AA2024 疲劳性能的影响
史学刚 薛建刚 张 雷
（ 南京航空航天大学机电学院， 江苏 南京 210016 ） 摘
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200%， 300%） 和相同强度的超声波喷丸， 要： 采用超声波喷丸装置， 对 AA2024 进行不同覆盖率（ 100%， 、 、 研究了喷丸前后的表面粗糙度 显微硬度 残余应力场及半高宽等表面完整性特征参数以及覆盖率 对疲劳寿命的影响。结果表明： 覆盖率对表面完整性和疲劳寿命有重大影响， 采用 300% 覆盖率喷 丸， 可以使 AA2024 保持较小的表面粗糙度值（ Ｒ a = 1 ． 6 μm ） ， 较高的显微硬度， 较好的残余应力分 布及稳定的表面层微观组织， 这些因素使得 AA2024 的疲劳寿命提高了 5 倍以上； 而 100% 和 200% 覆盖率对应的疲劳寿命则分别提高了 2 倍和 4 倍。
［3 ］
用， 表面层承受的交变应力最大且易受外界环境的影 响， 表面层往往就成为了裂纹的栖息之地。 为了防止 工程上往往采用表 或减少表面层裂纹的萌生和扩展， 面改性技术来改善材料的使用性能 。 超声波喷丸是近年来提出的一种新型表面改性方 法， 它利用大功率的超声波推动冲击工具以每秒二万 次以上的频率冲击金属物体表面 ， 由于超声波的高频、
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后处理器的应用
究， 可以使生成的数控程序更加适应机床的需求 ， 通过 对后置处理文件进行深入开发， 可以满足特殊要求的 后置处理。 参 考 文 献