拉-拉疲劳载荷下钛合金湿喷丸的残余应力松弛及再次喷丸工艺

发布时间：2021-09-04 07:58

　　采用湿法喷丸强化工艺（wet shot-peening）对TC4钛合金表面进行处理,研究高、低周的拉-拉疲劳过程中合金残余应力松弛规律,探讨再次喷丸工艺（re-shot-peening,RSP）对疲劳寿命的影响。结果表明:在拉应力载荷状态下,残余压应力依然发生松弛现象。疲劳载荷水平对喷丸TC4钛合金残余压应力场（CRSF）的松弛速率、松弛程度和松弛范围具有重要影响。高周疲劳（HCF）过程中残余应力松弛主要发生在近表层0～30μm,松弛速率较慢。低周疲劳（LCF）过程中残余应力松弛发生在0～80μm,范围更大,速率更快。RSP周期对于TC4钛合金的疲劳寿命也具有较大影响。在25%和50%初始喷丸疲劳寿命进行RSP处理会显著提高疲劳寿命,而在75%初始喷丸疲劳寿命处进行RSP处理对于疲劳寿命基本没有影响。此外,RSP的强化效果与疲劳载荷水平相关,对于高周疲劳寿命提高明显。 

【文章来源】：材料工程. 2020,48(05)北大核心EICSCD

【文章页数】：8 页

【部分图文】：

疲劳试样尺寸图

图4为在不同循环载荷下最大残余应力随疲劳循环周期变化的松弛曲线。由图4可见,高周疲劳(high cycle fatigue,HCF)和LCF残余应力松弛有着明显的区别:在HCF过程中,最大残余应力的衰减主要集中在循环前期,到后期基本保持不变;而在LCF过程中最大残余应力在整个循环持续发生衰减。此外,疲劳载荷峰值越高,残余应力松弛程度越大。TC4合金CRSF的松弛可归因于两方面的原因:首先,喷丸引入的表层材料加工硬化会在疲劳过程中又发生循环软化。Cheong等[11]发现加工硬化程度较高的喷丸处理TC4合金残余应力在LCF过程中会发生明显的松弛,而加工硬化程度较低的低塑性抛光所致残余应力并没有变化。经过喷丸之后的TC4合金表面发生加工硬化现象,其微观表现为大量的位错塞积群。在随后的循环加载过程中,合金位错密度降低,发生动态回复效应,在宏观上表现为循环软化的现象,从而导致应力松弛。其次,载荷峰值的大小也是残余应力松弛的影响因素。闫德俊[13]研究焊接残余应力的松弛行为,发现残余应力的松弛与载荷峰值密切相关,峰值越大残余应力松弛就越严重。本实验采用的循环载荷峰值最大为750 MPa(0.83σy),与材料的屈服强度非常接近,因此高循环载荷峰值也是残余应力松弛的主要原因。

为了更加深入了解残余应力松弛对疲劳寿命的影响,本工作对TC4钛合金试样不同循环周期进行RSP处理。采用湿喷丸处理,喷丸强度为0.4 mm·N,覆盖率为100%。图5所示为喷丸处理后的表面形貌。RSP处理之后表面波峰高度和波谷深度较初始喷丸时明显增加,单峰的平均间距同样增加,曲率明显尖锐化。取多次测量的粗糙度平均值来表征表面状态,结果如图6所示。喷丸较未喷丸表面粗糙度增加了约500%,RSP处理后粗糙度较初始喷丸时增加了约18.6%。粗糙度的增加表明表面完整性遭到更加严重的破坏,对于TC4钛合金的疲劳有着消极的影响。图6 不同喷丸状态下TC4钛合金试样的表面粗糙度

【参考文献】：
期刊论文
[1]喷丸强化对Ti6Al4V半椭圆表面裂纹J积分和裂纹扩展速率的影响[J]. 侯帅,朱有利,邱骥,倪永恒.  材料工程. 2019(01)
[2]金属材料的喷丸强化原理及其强化机理综述[J]. 王仁智.  中国表面工程. 2012(06)
[3]再次喷丸周期对TC18钛合金疲劳寿命的影响[J]. 王欣,高玉魁,王强,宋颖刚,陆峰.  材料工程. 2012(02)
[4]单向拉伸及循环载荷下材料的屈服及塑变传播[J]. 柴惠芬,陈新增,梁新,刘静华.  西安交通大学学报. 1986(04)

博士论文
[1]湿喷丸强化Ti-6Al-4V合金的微动磨损和微动疲劳行为及其机理研究[D]. 李康.大连理工大学 2016
[2]高速列车底架用铝合金焊接接头疲劳裂纹扩展特性[D]. 闫德俊.哈尔滨工业大学 2011



本文编号：3382892