噴丸殘余應(yīng)力對疲勞壽命的影響研究

張 帷 ，張 琪 ，王茂川 ，王 輝 ，萬元元

（1.西南技術(shù)工程研究所，重慶 400039；2.重慶市育才中學(xué)校，重慶 400050）

1 噴丸處理中關(guān)鍵工藝參數(shù)

噴丸強度的表征方式通常都是用零件表面受到彈丸流的沖擊動能來表示。現(xiàn)今SAE標準中對于阿爾門試片法表征噴丸強度類型有明確的規(guī)定，噴丸沖擊安裝在基座試片使得塑性變形，進而導(dǎo)致試片表面外貌凸起，或者產(chǎn)生彎曲，噴丸強度表示通常采用曲線的高或長。

彈丸材質(zhì)：噴丸的外形常用圓球狀，噴丸粒的外表不能出現(xiàn)棱角，盡最大程度減少金屬工件表層受到破壞。校外噴丸的大小要求匹配，硬度中等，方能使噴丸粒獲得足夠的沖擊動能或強度，能夠獲得理想的殘余壓應(yīng)力。

噴射速度：噴射速度與噴丸設(shè)備的運行壓力緊密相關(guān)，其中噴槍的噴嘴外形極大的影響著噴丸的運行壓力。

表面覆蓋率：指的就是工件因為噴丸粒在表面所產(chǎn)生的彈痕面積和金屬工件總面積的比。

2 噴丸對鋁合金材料疲勞性能的研究

2.1 材料制備

鋁合金2024-T351航空用料是本試樣的主要材料，表1為其化學(xué)組成成分。邊缺口試樣是板材需要加工成的樣式，設(shè)計標準參照航空工業(yè)標準邊缺口樣式進行設(shè)計，其尺寸為長76mm，寬19mm，高2.5mm。然后在室外對加工切割以后的試樣進行自然時效處理，這樣對于機械加工時所形成的殘余應(yīng)力有消除效果。

表1 鋁合金材料化學(xué)成分（質(zhì)量分數(shù)/%）

2.2 噴丸處理

通常情況下的噴丸處理都是采用離心式歐文拋丸機，葉輪直徑530mm，工作轉(zhuǎn)速2200r/min，得出其拋出彈丸的速度為61m/s。用緊固螺絲將試樣的兩邊加緊以后，然后用6061鋁合金丸、鑄鋼丸以及不銹鋼丸這些直徑不同的彈丸預(yù)加工試樣表面，需要注意的是覆蓋率是全部。從表1的板材性能以及丸粒的參數(shù)可以發(fā)現(xiàn)，試樣表面的噴丸強化有一層密度較大的凹陷，使得工件表面質(zhì)量發(fā)生概念，對疲勞性能產(chǎn)生很大影響。

2.3 數(shù)據(jù)分析

對比為經(jīng)過噴丸處理的樣品，樣品表面的殘余應(yīng)力場呈現(xiàn)出一定的梯度分布規(guī)律，并隨著噴丸強度的變化而變化。殘余壓應(yīng)力場與深度呈正相關(guān)關(guān)系，在近表面層達到最大值狀態(tài)，隨后轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚?yīng)力，表現(xiàn)出鉤型分布特征。

圖1 噴丸顆粒直徑對殘余壓應(yīng)力場的作用

深度分析圖1可知，當(dāng)噴丸的速率一定時，只改變噴丸的顆粒大小，可以發(fā)現(xiàn)噴丸粒的直徑增加時，噴丸的直徑也隨之增加，相應(yīng)的動能也逐漸增加，因此試樣的殘余壓應(yīng)力也逐漸加深，與此同時，殘余壓應(yīng)力的最大值隨著噴丸粒的增加向著更深方向遷移，使得最終的曲線呈現(xiàn)出右下偏移的現(xiàn)象。

從圖2可知，改變噴丸材質(zhì)，控制其他條件一定時，可明顯發(fā)現(xiàn)密度高、硬度大的噴丸能夠使得試樣獲得較深的殘余壓應(yīng)力。典型的鋼材質(zhì)噴丸相較于鋁材質(zhì)，表面殘余壓應(yīng)力、最大值均有著不同程度的提升，也伴隨著峰值最大值想較深位置偏移。

圖2 九粒材料對殘余壓應(yīng)力場的影響

3 結(jié)語

噴丸殘余應(yīng)力對工件疲勞壽命的影響是多方面的，當(dāng)采用合理的噴丸處理工藝時，能夠?qū)?024鋁合金工件的疲勞性能明顯增強。深入分析噴丸處理的工藝參數(shù)，發(fā)現(xiàn)噴丸質(zhì)量、直徑、噴丸速度、材質(zhì)特征都是影響工件殘余壓應(yīng)力場的關(guān)鍵要素，同時也驗證了殘余壓應(yīng)力強化機理和表面粗糙度弱化因素之間的關(guān)系。