6061鋁合金表面低塑性應(yīng)變成型及其疲勞改性研究

摘 要：重點(diǎn)分析了滾壓次數(shù)、車床轉(zhuǎn)速等低塑性拋光工藝參數(shù)對(duì)6061鋁合金表面性能的影響，3種轉(zhuǎn)速下都可獲得較好的疲勞強(qiáng)化效果，300 r/min的轉(zhuǎn)速通過滾壓3次可獲得最佳的強(qiáng)化效果，900 r/min的轉(zhuǎn)速滾壓2次與轉(zhuǎn)速為1 500 r/min滾壓3次的強(qiáng)化效果較好.結(jié)合滾壓后的截面顯微硬度分布與SEM斷口表征分析發(fā)現(xiàn)，加工轉(zhuǎn)速為300 r/min滾壓次數(shù)1次的試樣表現(xiàn)為受剪切力引起的斷裂，300 r/min滾壓2次、3次與加工轉(zhuǎn)速為900 r/min的試樣則表現(xiàn)為由多個(gè)疲勞源萌生行為；加工轉(zhuǎn)速為1 500 r/min的試樣，滾壓3次后疲勞源萌生于內(nèi)部.考慮應(yīng)變率相關(guān)的表面低塑性應(yīng)變將顯著改善6061鋁合金的疲勞服役性能，為鋁合金材料的進(jìn)一步廣泛應(yīng)用提供新的技術(shù)支持.

關(guān)鍵詞：6061鋁合金;低塑性應(yīng)變;疲勞斷口;顯微硬度;疲勞性能

中圖分類號(hào)：TG174.4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引 言

6061鋁合金具有塑性、強(qiáng)度、機(jī)械性能良好，抗氧化性能優(yōu)異，易于加工等優(yōu)點(diǎn)，已大量應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，如飛機(jī)制造中對(duì)強(qiáng)度要求高，抗腐蝕性能強(qiáng)的高應(yīng)力結(jié)構(gòu)部件.材料結(jié)構(gòu)強(qiáng)度破壞是航空航天領(lǐng)域常見的問題，據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，約80%以上的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度破壞是由疲勞破壞造成的，并且材料的強(qiáng)度破壞通常情況下是疲勞損傷累積到一定程度的情況下無預(yù)兆地發(fā)生，造成極大安全隱患［1-2］.材料的疲勞破壞的起始位置大部分從表面開始，后逐漸向材料內(nèi)部擴(kuò)展，因此，材料表面完整性將影響著材料的壽命和使用性能［3］.對(duì)6061鋁合金進(jìn)行合適的表面強(qiáng)化處理，能對(duì)裂紋的萌生和裂紋的擴(kuò)展起到阻礙作用，從而延長(zhǎng)材料的服役壽命.由此可見，表面強(qiáng)化技術(shù)對(duì)金屬材料表面性能和改善服役壽命起著至關(guān)重要的作用.考慮成本和實(shí)施便利，目前，關(guān)于6061鋁合金表面塑性變形處理的主要技術(shù)包括噴丸和滾壓［4］等表面機(jī)械強(qiáng)化方式，使材料表面的微觀組織和力學(xué)性能得到相應(yīng)的改善.與珩磨、研磨和精加工相比，拋光的工藝簡(jiǎn)單，并且經(jīng)濟(jì)高效［5］.低塑性拋光表面強(qiáng)化工藝（LPB）被認(rèn)為是航空航天領(lǐng)域中新興的表面機(jī)械處理技術(shù)之一［6］，也是一種根據(jù)特定應(yīng)用調(diào)整表面完整性的表面加工技術(shù)，如能夠通過改變材料表面粗糙度和硬度以增強(qiáng)表面完整性，提供更長(zhǎng)的疲勞壽命［7］.LPB是以機(jī)械滾壓和噴丸為基礎(chǔ)，并通過少量的冷加工和材料表面低塑性變形產(chǎn)生深層的高殘余應(yīng)力的表面強(qiáng)化新工藝［8］.LPB是一種數(shù)控拋光方法，如圖1所示，由

球形液壓軸承中恒定體積流體支撐可自由旋轉(zhuǎn)滾動(dòng)光滑的球體組成，在法向力的作用下球體沿特定方向進(jìn)行滾壓，促使材料表面產(chǎn)生塑性變形，從而產(chǎn)生殘余應(yīng)力.此外，低塑性拋光設(shè)備可固定于任何數(shù)控車床中，以實(shí)現(xiàn)最小冷加工的深層殘余壓縮應(yīng)力，極大滿足了經(jīng)濟(jì)與精度的需求［1］.

關(guān)于低塑性拋光，研究人員對(duì)其工藝參數(shù)進(jìn)行了大量研究，研究主要集中在加工工藝中的進(jìn)給率、主軸轉(zhuǎn)速、滾壓次數(shù)、法向力和球直徑等方面，Yuan等［9］探究了低塑性拋光參數(shù)對(duì)TA2表面完整性的影響，發(fā)現(xiàn)較小的進(jìn)給率產(chǎn)生較低的殘余面積，從而產(chǎn)生更平滑的表面，當(dāng)進(jìn)給率減小到0.05 mm/r時(shí)，表面粗糙度（Ra）從0.508 μm下降到0.057 μm.Harish等［6］為驗(yàn)證LPB數(shù)值有限元分析在Ti-6Al-4V中的有效性，使用X射線衍射法測(cè)量該材料表面處理前后有益殘余應(yīng)力大小，通過改變拋光法向力和滾壓次數(shù)，發(fā)現(xiàn)表面殘余應(yīng)力顯著改善45%～50%.Kalmegh等［10］對(duì)AlSl 4340鋼進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，球直徑、滾壓次數(shù)和主軸轉(zhuǎn)速對(duì)鋼的顯微硬度影響較小，法向力是主要影響因素.目前常使用的滾壓球尺寸主要有3、6、8和12 mm.其中，按材質(zhì)分又可以分為多類，如金剛石、高碳鉻鋼和不銹鋼等［11-14］.高玉魁［11］對(duì)低塑性拋光滾壓次數(shù)對(duì)表面粗糙度的影響進(jìn)行了探究，實(shí)驗(yàn)表明，多次滾壓對(duì)材料表面具有一定的損傷.Seemikeri等［14］對(duì)AlSl 316L鋼進(jìn)行了LPB參數(shù)全因子實(shí)驗(yàn)，并評(píng)估了各種工藝參數(shù)對(duì)該材料高周疲勞壽命的影響，結(jié)果顯示，最大疲勞壽命較參考試樣提高近10倍.目前，關(guān)于LPB的低塑性應(yīng)變及低周疲勞壽命的相關(guān)研究較少.本研究通過改變主軸轉(zhuǎn)速和滾壓次數(shù)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，探討6061鋁合金經(jīng)LPB處理后的表面粗糙度、顯微硬度、殘余應(yīng)力及低周疲勞壽命的變化.

1 材 料

本研究主要針對(duì)6061鋁合金的疲勞特性，采用MTS液壓伺服力學(xué)試驗(yàn)機(jī)對(duì)6061鋁合金進(jìn)行循環(huán)拉伸和循環(huán)拉壓的強(qiáng)化試驗(yàn).首先，將6061鋁合金原材料在200 ℃下保溫8 h后，做退火處理，然后進(jìn)行機(jī)加和LPB低塑性表面拋光，試樣尺寸如圖2所示.6061鋁合金材料組成見表1，其在室溫下彈性模量為69.9 Gpa，密度為2.8 g/cm3，抗拉強(qiáng)度為290 MPa，硬度為95 HV.

2 低塑性拋光試驗(yàn)

2.1 低塑性拋光

拋光過程中，刀具進(jìn)給率保持0.01 mm/r，改變車床轉(zhuǎn)速分別為300、900和1 500 r/min 3組，每組試樣改變滾壓道次數(shù)1次、2次和3次，每次滾壓深度均為0.01 mm，依據(jù)上述3組轉(zhuǎn)速和3組滾壓道次對(duì)LPB強(qiáng)化進(jìn)行9種工藝探索，LPB加工如圖3所示，LPB試樣編號(hào)和工藝對(duì)應(yīng)關(guān)系見表2.本次實(shí)驗(yàn)滾壓球尺寸采用直徑3 mm的金剛石滾壓球.依據(jù)不同的工藝，試樣分別標(biāo)記為300-1/-2/-3、900-1/-2/-3和1500-1/-2/-3.

2.2 滾壓截面硬度

利用HVS-1000型數(shù)顯顯微硬度計(jì)測(cè)試硬度，分析不同加工工藝下材料硬度在橫截面上的梯度分布.硬度檢測(cè)時(shí)，由試樣表面沿徑向向材料內(nèi)部進(jìn)行檢測(cè)，每個(gè)硬度均由離表面相同距離的5個(gè)點(diǎn)平均計(jì)算得出，以獲得表面強(qiáng)化后的硬度梯度分布，如圖4所示.

從圖4可以看出，原始試樣（見圖4（A））的維氏硬度梯度分布為124～125 HV，加工轉(zhuǎn)速300 r/min，滾壓1次的試樣300-1（見圖4（B）），其離表面50～200 μm范圍內(nèi)的維氏硬度由121 HV逐步升高至123 HV，與原始試樣較為接近，而相比試樣300-2和300-3，試樣300-1的硬度變化不大.這說明，由于試樣300-1的加工轉(zhuǎn)速較低且滾壓次數(shù)少，對(duì)試樣表面強(qiáng)化效果不明顯.進(jìn)一步對(duì)比圖4中的試樣300-2（見圖4（C））和300-3（見圖4（D））曲線可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)加工轉(zhuǎn)速較低（300 r/min）時(shí)，300系列試樣的硬度主要分布在125 HV左右，與原始試樣差異不大，整體硬度較為均勻，硬度梯度變化較小，即表面強(qiáng)化效果提升不明顯.但300-2試樣的硬度值主要集中在122 HV，呈現(xiàn)梯度分布特征.可以看出，在低轉(zhuǎn)速條件下，滾壓2次的表面硬化效果相對(duì)較好.

從圖4的900系列試樣維氏硬度分布曲線可以看出，當(dāng)轉(zhuǎn)速為900 r/min時(shí)，不同滾壓次數(shù)對(duì)6061鋁合金的表面層強(qiáng)化效果有明顯影響（見圖4（E）～圖4（G））.具體而言，試樣900-3（見圖4（G））表面50 μm處硬度最高，可達(dá)130 HV.隨著距表面深度的增加，試樣900-1（見圖4（E））的硬度增長(zhǎng)速率最大，最終可達(dá)126 HV左右.對(duì)3個(gè)試樣曲線的對(duì)比分析表明，在轉(zhuǎn)速適中的條件下（900 r/min），材料整體硬化效果較優(yōu).其中，經(jīng)過3次滾壓的試樣900-3，強(qiáng)化后的表面硬度相比內(nèi)部提高明顯（表面約130 HV，內(nèi)部約125 HV）.這說明當(dāng)轉(zhuǎn)速為900 r/min時(shí)，滾壓3次的表面層強(qiáng)化效果最為顯著.

從圖4的轉(zhuǎn)速1500系列試樣維氏硬度分布曲線（見圖4（H）～圖4（J））可以看出，當(dāng)轉(zhuǎn)速較高（1 500 r/min）時(shí)，不同滾壓次數(shù)對(duì)6061鋁合金表面層性能的影響不同.試樣1500-1（見圖4（H））硬度維持在125 HV左右，1500系列試樣的硬度值整體高于轉(zhuǎn)速為300和900 r/min的試樣，表明高轉(zhuǎn)速條件下表面硬度獲得明顯提升.其中，試樣1500-3（見圖4（J））的硬度分布曲線最為陡峭，最大硬度可達(dá)130 HV，顯示當(dāng)轉(zhuǎn)速為1 500 r/min時(shí)，滾壓3次的表面硬化效果最佳.

3 LPB疲勞性能研究

3.1 原始試樣拉伸

6061鋁合金疲勞特性測(cè)試在 MTS 液壓伺服力學(xué)試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，原始及LPB強(qiáng)化后的試樣采取橫幅疲勞方式加載，加載外力為（ 20±300）MPa，頻率為0.5 Hz.原始試樣加載過程中，其應(yīng)力—應(yīng)變曲線圖如圖5所示.

3.2 循環(huán)應(yīng)變響應(yīng)

循環(huán)過程中的循環(huán)應(yīng)變響應(yīng)的過程曲線如圖 6 所示.明顯看出，原始材料在循環(huán)過程中呈現(xiàn)持續(xù)的循環(huán)軟化，然而LPB后材料的循環(huán)硬化效果是顯著的.圖6（A）表明，原始試樣的循環(huán)失效圈數(shù)為 297圈，且隨著循環(huán)的進(jìn)行，軟化速率不斷增大.圖6（B）表明，試樣 300-1 的應(yīng)變響應(yīng)在0.1以內(nèi)，與原始試樣相比，其循環(huán)失效次數(shù)更小，僅有216圈，由此可見低轉(zhuǎn)速與滾壓次數(shù)只有1次時(shí)，對(duì)材料并未起到疲勞強(qiáng)化作用.圖6（C）與圖6（D）表明，低速下增加對(duì)試樣的滾壓道次數(shù)后，試樣的疲勞壽命有了明顯的提高，試樣300-2的壽命提高到了2 960圈，其應(yīng)變響應(yīng)在±0.1以內(nèi)，試樣300-3的壽命提高到了3 805圈，應(yīng)變硬化最佳.可見當(dāng)加工轉(zhuǎn)速較低（300 r/min）時(shí)，適當(dāng)?shù)脑黾訉?duì)材料的滾壓道次數(shù)能有效地提高材料的循環(huán)硬化和疲勞壽命.

當(dāng)LPB加工轉(zhuǎn)速為900 r/min的中速時(shí)，試樣900-1的應(yīng)變響應(yīng)在0～0.05范圍內(nèi)，其循環(huán)失效壽命為747圈（見圖6（E）），試樣900-2（見圖6（F））的應(yīng)變響應(yīng)也在0～0.05范圍內(nèi)，但其循環(huán)失效壽命為1 059圈，比900-1提升了42%.而試樣900-3（見圖6（G））的壽命為846圈，其應(yīng)變響應(yīng)依然在0～0.05范圍內(nèi).試驗(yàn)結(jié)果表示，試樣900-2的失效循環(huán)次數(shù)最高，其疲勞壽命最長(zhǎng)，當(dāng)加工轉(zhuǎn)速適中時(shí)，滾壓道次數(shù)較少或較多對(duì)材料表面的強(qiáng)化效果提升均沒有達(dá)到最佳效果，因此，當(dāng)加工轉(zhuǎn)速適中時(shí)，應(yīng)當(dāng)控制加工時(shí)滾壓道次數(shù)，以便獲得在該轉(zhuǎn)速時(shí)的最佳表面強(qiáng)化工藝.

當(dāng)LPB加工轉(zhuǎn)速為1 500 r/min的高速時(shí)，應(yīng)變響應(yīng)均在0～0.05范圍以內(nèi)，試樣1500-1、1500-2和1500-3的疲勞壽命分別為1 073圈（ 見圖6（H））、794圈（見圖6（I））和1 523圈（見圖6（J））.試樣 1500-3的壽命遠(yuǎn)高于 1500-2 和 1500-1，而導(dǎo)致這一結(jié)果的原因，則是由于轉(zhuǎn)速過高，試樣的表面粗糙度優(yōu)于轉(zhuǎn)速為 900和300 r/min 的試樣［15］，再經(jīng)過多次滾壓，使得試樣1500-3的表面強(qiáng)化效果優(yōu)于試樣1500-2和1500-1.而試樣 1500-2 比起 1500-1 壽命更短，推斷是因?yàn)闈L壓對(duì)材料表面造成了一定程度的損傷，對(duì)其表面組織的完整性具有一定的破壞.

因此，不同程度的LPB加工轉(zhuǎn)速加工后采用不同的滾壓道次數(shù)，最后得到的強(qiáng)化效果也具有不同程度的差異性，300 r/min低加工轉(zhuǎn)速的試樣滾壓多次可使其表面更光滑，疲勞強(qiáng)化效果也更好；900 r/min的中加工轉(zhuǎn)速的試樣在后續(xù)滾壓中，道次數(shù)不宜過高或過低；而1 500 r/min的高轉(zhuǎn)速試樣也應(yīng)該采用多次滾壓.

4 LPB強(qiáng)化的疲勞斷裂分析

4.1 LPB疲勞斷口3D表征

對(duì) 6061 鋁合金加載后的試樣斷口進(jìn)行斷面特征檢測(cè)及分析，使用 VHX-1000型數(shù)碼顯微鏡對(duì)其斷口表面進(jìn)行斷面樣貌檢測(cè)［16］.對(duì)各個(gè)樣本進(jìn)行超景深3D掃描，如圖7所示.由圖7（A）可以看出，原始試樣疲勞斷口呈現(xiàn)左邊低右邊高的現(xiàn)象.由圖7（B）可知，試樣300-1與原始試樣類似，沒有出現(xiàn)明顯的疲勞損傷區(qū)域，由此可以得出試樣300-1 由于轉(zhuǎn)速慢、滾壓道次數(shù)小，其表面強(qiáng)化效果不明顯.圖7（C）為試樣300-2的掃描效果圖，其斷面相對(duì)較平整，斷口梯度差異較小，且圖中能看到在斷面較低處具有較大的疲勞擴(kuò)展區(qū).相比試樣300-1 斷口，試樣300-2表面硬化層更厚，但應(yīng)力狀態(tài)也更復(fù)雜，特別在邊緣與表面容易儲(chǔ)存較高的形變能，有利于裂紋的萌生和初步擴(kuò)展，但繼續(xù)擴(kuò)展所需的能量也更大，表面的壓應(yīng)力也會(huì)促使裂紋閉合，使裂紋擴(kuò)展受阻，增加疲勞壽命.圖7（D）可以看出，試樣 300-3 表面呈現(xiàn)多疲勞源特征，分散了近表面的塑性應(yīng)變累積；同時(shí)，3次滾壓顯著提高了表面硬化層的硬度，增加了表面和近表面的壓應(yīng)力，使得試樣300-3的疲勞壽命顯著增加.

試樣900-1、900-2和900-3 的加工轉(zhuǎn)速為900 r/min，其斷面都較為平整.且從圖7（E）可以看出，試樣900-1斷面整體高度梯度小，試樣表面各處存在多個(gè)小的疲勞源擴(kuò)展區(qū)域.圖7（F）看出，試樣900-2斷裂時(shí)斷面中間有1個(gè)突然變高的現(xiàn)象，2次滾壓通過硬化層性能優(yōu)化、界面強(qiáng)化及表面改善等措施增加了裂紋生成與擴(kuò)展所需的總體能量，這使裂紋擴(kuò)展難度增大，壽命得以延長(zhǎng).同時(shí)裂紋被迫選擇較長(zhǎng)路徑，也增加了其疲勞擴(kuò)展壽命，這也是壽命提高的重要原因［17-20］.由圖7（G）看出，試樣900-3平整度降低，多疲勞面間的剪切作用顯著，邊緣存在多個(gè)疲勞源，并同時(shí)向內(nèi)部擴(kuò)展，多個(gè)疲勞擴(kuò)展區(qū)匯合并在相互間的剪切作用下形成1個(gè)較大的疲勞擴(kuò)展面，疲勞壽命呈現(xiàn)一定程度降低.

圖7（H）為試樣1500-1的超景深3D掃描效果圖，如圖所示，試樣1500-1 的表面強(qiáng)化效果較為明顯，左下角存在的少量紅色區(qū)域則表示材料該位置的深度較淺，試樣在該位置的斷裂可能由剪切力引起，推斷高速LPB作用表面未能得到均勻強(qiáng)化.從圖7（I）可以看出，試樣1500-2斷面區(qū)域的整體深度梯度小，其試樣斷口整體較為平整，且可以從試樣邊緣看出材料表面具有多個(gè)疲勞源，疲勞擴(kuò)展區(qū)較小，高速1 500 r/min滾壓2次使表面硬化層的均勻性得到一定提升，但其內(nèi)部與表面的較大的硬度梯度差為裂紋提供了快速擴(kuò)展的通道，這必然限制了疲勞擴(kuò)展區(qū)的發(fā)展空間.從圖7（J）可以看出，試樣1500-3斷口較1500-2不平整，且疲勞擴(kuò)展區(qū)較大，但其內(nèi)部存在穩(wěn)定的較大單一疲勞源形成的疲勞擴(kuò)展區(qū)，提升了一定的疲勞壽命.高速LPB 3次滾壓作用，使硬化層各向性能均衡性進(jìn)一步提升.

4.2 電鏡掃描（SEM）分析

斷裂后的試樣斷口SEM圖如圖8所示（紅色矩形框標(biāo)注為疲勞源區(qū)）.圖8（A）表示原始試樣斷裂面幾乎不存在疲勞源，即原始試樣的斷裂機(jī)制為受剪切應(yīng)力引起的拉伸斷裂.圖8（B）所示的試樣300-1與原始試樣同理，為受剪切力引起的斷裂損傷.由圖8（C）可知，試樣300-2斷口相對(duì)較平整，疲勞擴(kuò)展區(qū)域相對(duì)較大，且試樣300-2表面存在2處以上的疲勞源同時(shí)向內(nèi)部萌生形成裂紋擴(kuò)展區(qū)，引起試樣的疲勞斷裂.由圖8（D）可知，試樣300-3疲勞面存在多個(gè)疲勞源且同時(shí)向內(nèi)部萌生形成擴(kuò)展裂紋，表明其表面強(qiáng)化效果相較于 300-1 和 300-2 更為明顯，并且由于其存在強(qiáng)化分層，形成了亞表面，而裂紋尖端經(jīng)過不斷的閉合擠壓，亞表面形成了疲勞輝紋［18-20］.

由圖8（E）可知，試樣900-1斷面四周具有多個(gè)疲勞源，這些疲勞源同時(shí)沿軸向擴(kuò)展萌生形成疲勞擴(kuò)展區(qū)域，并且由于其強(qiáng)化層較淺，這些區(qū)域內(nèi)存在剪切面，剪切力誘導(dǎo)剝離裂紋向內(nèi)部擴(kuò)展.由圖8（F）可知，試樣900-2表現(xiàn)出多疲勞源性，滾壓2道次后，表面并未出現(xiàn)明顯的剝離現(xiàn)象，斷面較為平整，大面積的擴(kuò)展區(qū)域形成主裂紋引起試樣的疲勞斷裂.由圖8（G）可知，試樣900-3形成明顯的疲勞擴(kuò)展區(qū)域，加上其具有多個(gè)疲勞源，疲勞擴(kuò)展區(qū)較小，這些疲勞源經(jīng)由表面向內(nèi)部匯集，形成了主要的裂紋擴(kuò)展面，加速了裂紋的擴(kuò)展；同時(shí)還在SEM圖中發(fā)現(xiàn)試樣內(nèi)部具有二次裂紋，其釋放能及循環(huán)應(yīng)變能較大，但是其程度較淺，局部出現(xiàn)的剝離現(xiàn)象對(duì)二次裂紋也有一定的阻礙效果.

由圖8（H）可知，試樣1500-1的裂紋擴(kuò)展表現(xiàn)為較為典型的疲勞斷裂狀態(tài)，疲勞源位于材料表面且有多個(gè)疲勞源同時(shí)從表面萌生并向內(nèi)部擴(kuò)展，引起試樣的疲勞斷裂.由圖8（I）可知，試樣1500-2表面四周均有疲勞源出現(xiàn)，且疲勞擴(kuò)展區(qū)較試樣1500-1有明顯縮小.導(dǎo)致這一情況原因是，由于轉(zhuǎn)速快，2次滾壓造成疲勞源的亞表面萌生，材料表層具有較明顯的硬化層，雖然有裂紋閉合效果，但增加了表層與內(nèi)部的硬度梯度，增加了組織的不協(xié)調(diào)性，導(dǎo)致疲勞斷裂面上出現(xiàn)明顯剝離和二次裂紋，對(duì)材料的疲勞循環(huán)穩(wěn)定性引起一定的負(fù)面效果.因此，試樣1500-2的疲勞循環(huán)圈數(shù)僅為794圈，小于試樣1500-1的1 073圈試樣1500-3的1 523圈.由圖8（J）可知，試樣1500-3的裂紋疲勞源單一，疲勞擴(kuò)展區(qū)域大且較為均勻，表面強(qiáng)化后加載外力的反復(fù)擠壓，材料表面沒有出現(xiàn)明顯的剝離.而從SEM圖中可以看出，其內(nèi)部出現(xiàn)疲勞源，說明材料高速且3次滾壓后的表面結(jié)構(gòu)較強(qiáng)，另外，試樣1500-3中二次裂紋在小范圍的區(qū)域內(nèi)擴(kuò)展，且沒有向材料內(nèi)部擴(kuò)展的趨勢(shì)，其對(duì)裂紋向內(nèi)部的進(jìn)一步擴(kuò)展有一定的阻礙作用.

5 結(jié) 論

1）原始材料在循環(huán)過程中呈現(xiàn)持續(xù)的循環(huán)軟化，然而LPB后材料均具備明顯的循環(huán)硬化效果.根據(jù)不同的加工工藝其疲勞強(qiáng)化有差距，在試驗(yàn)測(cè)試的3種加工轉(zhuǎn)速中，300和1 500 r/min通過 3 次滾壓可以起到比滾壓1次和2次更好的疲勞強(qiáng)化效果，而 900 r/min 的試樣則只需2次的滾壓就能達(dá)到比 1 次和3 次滾壓更好的表面強(qiáng)化.低速300 r/min LPB 3次滾壓后的疲勞強(qiáng)化最佳.

2）轉(zhuǎn)速的高低對(duì)材料表面的硬度強(qiáng)化比滾壓次數(shù)的影響更大，這可能與高轉(zhuǎn)速加工的材料表面光潔度更好有關(guān).經(jīng)高轉(zhuǎn)速加工處理的試樣比較低轉(zhuǎn)速處理的試樣整體硬化效果更好，材料表面硬度更高.

3）900和1 500 r/min的中高轉(zhuǎn)速LPB滾壓試樣具有多疲勞源性，疲勞擴(kuò)展區(qū)的減小與二次裂紋分布，為疲勞強(qiáng)化帶來不利影響.300 r/min的LPB低轉(zhuǎn)速試樣，道次數(shù)為 1次時(shí)主要斷裂機(jī)制為受剪切應(yīng)力而斷裂，隨著滾壓道次數(shù)增加到2次和3次，受剪切的影響越小，疲勞源向內(nèi)部萌生裂紋而斷裂的現(xiàn)象越明顯，多疲勞源特征，分散了近表面的塑性應(yīng)變累積；同時(shí)，滾壓次數(shù)增加加大了表面和近表面的壓應(yīng)力，裂紋閉合效果顯著，疲勞強(qiáng)化最佳.

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Study on Low Plastic Strain Forming and Fatigue Modification of 6061 Aluminum Alloy

Abstract：

This paper focuses on the analysis of the influence of low plasticity polishing process parameters such as rolling times，lathe speed on the surface properties of 6061 aluminum alloy.Good fatigue strengthening effect can all be obtained under these speeds.The 300 r/min speed can obtain the best strengthening effect through rolling three times.Also，either the 900 r/min speed rolling twice or the 1 500 r/min speed rolling three times has a better hardening effect.Combined with the microhardness distribution of the section after rolling and the SEM fracture characterization analysis，it was found that the specimens that rolled once at a processing speed of 300 r/min showed the fracture caused by shear force，while the specimens that rolled twice and three times at 300 r/min and at a processing speed of 900 r/min showed the initiation behavior of multiple fatigue sources.While，the sample with a processing speed of 1 500 r/min was subjected to 3 rounds of rolling，where fatigue source originated internally.The consideration of strain rate dependent surface low plastic strain will significantly improve the fatigue service performance of 6061 aluminum alloy，providing new technical support for the further widespread application of aluminum alloy materials.

Key words：

6061 aluminum alloy;low plastic strain;fatigue fracture;microhardness;fatigue properties