表面形变强化残余应力场对Inconel718高温合金高周疲劳性能的影响规律研究

发布时间：2020-04-22 14:32

【摘要】：Inconel718高温合金在600℃高温环境下具有良好的机械性能,在室温下的强度等级高达1500MPa,常作为连接飞机机体的高强度对接螺栓的关键材料使用。由于在飞机飞行过程中,对接螺栓承受着复杂的疲劳载荷作用,因此,所使用的材料除了需要满足高强度的要求以外还需要同时满足高疲劳寿命的要求,以保证飞机的安全运行。而大量关于Inconel718高温合金的力学性能的研究结果显示,优化的热处理工艺虽对提高Inconel718高温合金的抗拉强度有显著效果,但对提高疲劳寿命效果并不明显。表面强化技术因在材料表层引入残余压应力和提高材料表层力学性能而成为提高材料疲劳寿命的主要措施。关于Inconel718高温合金的表面形变强化虽已有大量研究,但研究成果仅局限于表面形变强化后表层特征参数变化及提高疲劳性能的结果的表征和分析,对于因表面形变强化处理后引入的残余压应力的分布特征规律缺乏系统研究,残余压应力场对疲劳性能的影响机制也并未透彻分析。尤其是先进的高能表面强化技术在材料表面引入更大的残余压应力和更深的残余压应力层深后,将对材料疲劳性能到底会产生何种影响有待深入研究。可见,研究Inconel718高温合金经表面形变强化后的残余压应力场的特征分布规律以及其对高周疲劳性能的影响规律,对于提高飞机对接高强度螺栓的疲劳寿命,缩短其研发周期,降低其研发成本具有重要的指导意义和实用价值。在此背景下,本文以飞机对接螺栓用Inconel718高温合金为研究对象,从影响材料疲劳性能的强度、表层残余压应力分布、表面形貌及粗糙度、表层微观组织及显微硬度分布等因素出发,结合OM、SEM、TEM、HRTEM和EBSD等检测和分析手段,探索了Inconel718高温合金在不同抗拉强度下的室温高周疲劳极限与抗拉强度的定量关系,对比了具有不同残余压应力场分布特征的室温高周疲劳极限,深入分析了表面形变强化残余应力场对Inconel718高温合金室温高周疲劳极限的影响机理。对比了Inconel718合金对接螺栓头部R超声滚压和传统滚压的高周疲劳寿命和疲劳断裂特征,为进一步提高对接螺栓的疲劳性能提供新的技术路径。主要研究内容和结论为:(1)首次研究了Inconel718合金在不同强度下的室温高周疲劳极限与抗拉强度的定量关系。结果表明,室温下,固溶态和时效态Inconel718合金的抗拉强度分别为940MPa和1560MPa,高周疲劳极限(10~7次)分别为492MPa和461MPa,固溶态的抗拉强度比时效态低65.9%,但高周疲劳极限比时效态的高6.73%。该合金室温高周疲劳极限与抗拉强度满足二次函数关系。(2)基于X射线衍射三维应力测试仪,首次对Inconel718合金不同表面形变强化后三维残余应力的分布特征进行了实验研究。研究结果表明:喷丸表层残余应力状态从表面到次表面依次为三维应力状态、平面应力状态和单轴应力状态。超声滚压表层残余应力状态为表面平面应力状态到次表面单轴应力状态过渡。喷丸和超声滚压的轴向表面残余压应力值基本相等,约为1000MPa,但超声滚压残余压应力层深是喷丸的1.5倍。(3)基于接触力学理论,首次对不同表面形状工件的超声滚压覆盖率进行理论研究。构建了圆柱端面、圆柱面及平面工件超声滚压覆盖率的数学模型。(4)对比研究了不同表面形变强化方式、不同工艺参数的超声滚压的形变表层特征及拉伸性能。结果表明:喷丸和超声滚压的表层形变特征基本相同,喷丸表面粗糙度是超声滚压的4.44倍;超声滚压表层塑性变形程度及深度都随单位面积冲击次数和滚压遍数的增加而增加,其中滚压遍数增加的影响程度大于单位面积冲击次数。在较大工艺参数的条件下,固溶态Inconel718合金超声滚压表面出现表面纳米化,但纳米组织层深较浅,对拉伸性能的影响很小。(5)对比研究了喷丸和超声滚压处理试样、不同尺寸及不同热处理状态的试样经超声滚压处理后的室温高周疲劳行为。结果表明,时效态Inconel718合金φ3.6mm试样,喷丸后疲劳极限提高了3.2%,超声滚压后疲劳极限反而降低了24.8%;固溶态Inconel718合金φ3.6mm试样,超声滚压后疲劳极限降低了25.8%。但时效态Inconel718合金φ8mm试样经超声滚压后疲劳极限提高了10.8%。断口分析结果发现,无论是固溶态还是时效态合金小尺寸(φ3.6mm)试样经超声滚压后的疲劳裂纹均萌生于试样心部位置,其疲劳强度反而降低;但是小尺寸喷丸试样和大尺寸(φ8mm)超声滚压试样的疲劳裂纹均萌生于试样次表面,其疲劳强度反而提高。由此首次提出超声滚压残余应力场对轴向拉压疲劳性能的影响具有尺寸效应。通过统计不同载荷应力下的疲劳裂纹萌生位置,结合残余压应力场的分布特征,阐明了小尺寸试样超声滚压疲劳极限降低的原因。基于三轴应力度的内部疲劳极限理论,构建了轴向拉压疲劳试样的内部疲劳极限分布模型;获得了表面形变强化残余压应力场对疲劳极限的影响机制。从而为高能改性强化条件下不同尺寸构件的疲劳强度设计提供了关键理论依据。(6)对比研究了不同极限载荷比例下对接螺栓头部R超声滚压和传统滚压后的高周疲劳寿命。结果表明,采用超声滚压强化处理,载荷比例为40%的螺栓疲劳寿命约为传统滚压的20倍,载荷比例为50%的螺栓疲劳寿命约为传统滚压的7倍。超声滚压在具体的对接螺栓头下R的强化处理上具有显著的强化效果。
【图文】：

残余应力分布,传统机械,喷丸,钢丸

[55]5-工件，6-旋转工作台，7-压缩气体供应管，8-喷枪志国[56]等人对比了钢丸+玻璃丸及纯钢丸的喷丸处理，结果表明：残余应力”型分布，钢丸+玻璃丸喷丸的σrs、σrm、zm和 z0分别为-570MPa、-790MP 和 550μm；纯钢丸喷丸的σrs、σrm、zm和 z0分别为-480MPa、-740MPa、60m。相比较而言，钢丸+玻璃丸的混合喷丸残余压应力分布较纯钢丸喷丸的 Klotz[54, 57]等人对比了切丝弹丸和铸钢丸两种喷丸处理的的残余应力分布，丸种类的不同只对最大残余压应力值有影响，切丝弹丸的略大于铸钢丸，其均相同。Cammett, J T[58]等人研究表明：不同覆盖率的残余应力分布相似，型分布，残余应力特征分布值与 P Prevéy[46]等人的基本相同，残余压应力小)都随着覆盖率的增加而略有增加的趋势。但试样的加工硬化的分布却有，82% (0.2T)的覆盖率导致加工硬化少于 5%，而将覆盖率增加到 400% 加工硬化高达 35%；残余应力的热稳定性随表面加工硬化程度的增大而下丸对 Inconel718 合金疲劳性能的影响研究中，Thierry Klotz[54, 57]等人对比研丸工艺参数（弹丸种类及喷丸强度）的室温高/低周拉拉(R=0.1)疲劳寿命，

残余应力分布,工作原理图,设备,喷丸

高温合金来说，有一定研究但并不多，主要在探索工艺参数对表面完整性（表面粗度、表层微观组织、表层硬度及残余应力分布）的影响。根据所采用的工艺参数的同，喷丸后的表面残余压应力有高达 1000MPa 的也有只有 140MPa 的，残余压应的深度有 200μm 的也有 600μm 的。至于喷丸引入的残余应力对 Inconel718 合金疲性能的影响，从上述研究结果中可以看到的是，喷丸引入的残余压应力对低周疲劳高温疲劳的基本没有影响，显著提高室温高周拉拉疲劳寿命。但是，喷丸残余压应对 Inconel718 合金的室温高周疲劳的具体作用机理并未见报道。1.3.1.2 磨料水射流喷丸（Abrasive Water Shot Peening，AVSP）表面强化技术如图 1.2 所示为用水与磨料的混合物作为弹丸介质的喷丸设备，磨料依靠自重下降落的同时受到高速水流产生的负压的作用而被吸入混合管中与水流混合，形成合水流从喷头喷出。对于圆柱形工件，可将工件在装夹在机床主轴上以一定转速旋转而喷头则沿工件的轴线方向移动实现整个表面强化处理。对于板状试样，可将工件定在工作台上，，通过提前在工控机中设置喷丸的运动轨迹来实现整个平面的表面强处理。磨料水喷丸设备除结构简单、供料方便等优点外，相比传统机械喷丸，磨料喷丸的喷射压力可高达 400MPa，可使工件材料表面塑性变形程度更大。
【学位授予单位】：贵州大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：V252;TG132.3

【参考文献】