稀有金属 2004,(01),182-184 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2004.01.045
高强铝合金表面强化工艺研究
伊琳娜
北京航空材料研究院铝合金研究室,北京航空材料研究院铝合金研究室 北京100095 ,北京100095
摘 要：
铝合金表面强化包括喷丸强化、振动强化和滚筒强化 , 它们均使材料表面产生一层强化层 , 其深度约在 0 .0 7～ 0 .5mm。研究了滚筒强化处理后 7B0 4高强铝合金厚板的表面残余应力、硬化层深度和疲劳性能。试验结果表明 , 滚筒强化处理能明显提高 7B0 4铝合金厚板的疲劳性能。
关键词：
滚筒强化 ;7B04铝合金 ;疲劳性能 ;残余应力 ;硬化层深度 ;
中图分类号： TG174
收稿日期： 2003-09-20
Surface Strengthen Process for High Strength Aluminum Alloy
Abstract：
The surface strengthen of aluminum alloys includes shot peening, vibrating and rolling. These products all have a hard layer on surface of materials. The hard layer depth is about 0.07～0.5 mm. The surface residual stress, hard layer depth and fatigue properties of 7B04 high strength aluminum alloy plate after rolling strengthening treatment were studied. The results show that rolling strengthening treatment can improve obviously the fatigue properties of 7B04 aluminum alloy plate.
Keyword：
rolling strengthening; 7B04 aluminum alloy; fatigue properties; residual stress; hard layer depth;
Received： 2003-09-20
通过表面强化技术提高零件疲劳寿命早在20世纪30年代已经开始, 使用最多的是喷丸技术, 随着航空工业的迅速发展, 1948年美国宇航材料规范中制订了喷丸强化工艺规范AMS2430。 随后发展了振动强化和滚筒强化技术。 一般情况下, 上述强化使材料表面产生一层强化层, 其深度约在0.07~0.5 mm, 它与整个零件的厚度 (或直径) 相比显然是极薄的一层, 所以强化层对材料的静强度以及冲击强度等无明显的影响。 但对于强烈依赖于材料表面 (应力和组织) 状态的疲劳性能, 强化层却有显著的影响
[1 ,2 ,3 ]
。 喷丸强化是高速运动的弹丸流喷射材料表面并使其表层发生塑性变形的过程, 加工效率高, 但受设备尺寸限制, 适于中小尺寸且形状较简单的零件强化; 振动强化是对加工箱体施加振幅1~35 mm和振动循环频率16~50 Hz, 使箱体中颗粒具有高的相对运动而使零件表面层产生塑性变形, 其特点是运动颗粒可沿任何形状的零件轻易流过, 适于复杂形状零件的强化; 上述强化方式均不适用于大型飞机零件如壁板、 大梁、 框架等的强化, 而滚筒强化工作室尺寸大, 它是在滚筒设备中装入松散的工作介质 (小立方体铝块) , 把零件固定在设备中。 由于滚筒轴是倾斜状, 滚筒转动时可以保证颗粒在沿着周向运动的同时, 也能沿着轴向运动, 从而撞击零件的各个表面使其发生塑性变形, 导致表面层的显微组织发生变化, 并产生残余压应力, 从而改善零件抗疲劳性能, 提高零件的使用寿命和可靠性。 本文将研究高强铝合金滚筒强化工艺及对疲劳性能的影响。
1 试验原料和方法
1.1 试验原料
试验用材料为7B04高强铝合金预拉伸板 (40 mm) , 名义合金成分为: 5.75% Zn, 1.69%Cu, 2.35%Mg, 0.37%Mn, 0.17%Cr, 0.08%Fe。 滚筒强化工作介质采用7A04高强度铝合金。
1.2 试验方法
滚筒强化设备采用俄制箱式滚筒撞击设备YBR2-5。 将7A04合金制成3 mm×3 mm×3 mm的立方体颗粒, 其尖角和棱边在滚筒中倒角成半径≥0.2 mm, 然后进行除油、 清洗和干燥处理。 检验强化效果首先用放于不同位置的随炉强化试片检验挠度值 (f ) 。 试片尺寸如图1所示。
不同位置检验试片的挠度值, 反映实际强化零件不同表面的强化效果。 5件检验试片与疲劳试样一起在滚筒的工作室中加以强化, 安装位置见图2所示。
疲劳试验采用片状试样, 其形状和尺寸见图3。 试样滚筒强化前进行表面阳极化处理。
疲劳试样分为4组, 其中1组不强化, 其余3组在不同时间进行强化处理, 详见表1。
图1 滚筒强化检验试片 (mm) Fig.1 Inspect sample of rolling strengthening (mm)
图2 试片安装位置 (1) 基板; (2) 纵向肋条; (3) 横向肋条; (4) 5件试片 Fig.2 Fix position of sample
图3 疲劳试样形状和尺寸 (mm) Fig.3 Form and size of fatigue sample (mm)
表1 疲劳试样滚筒强化工艺参数Table 1Reference of rolling strengthening on fatigue sample
组号
转速/-1 )
正转时间/
反转时间/
间歇时间/
总时间/
1
16.4
15
15
2
2
2
16.4
15
15
2
3
3
16.4
15
15
2
6
2 结果和讨论
2.1 试片挠度检验
3组试片滚筒强化后挠度值检验结果见表2。
表2 3组试片滚筒强化后挠度值Table 2Bending of three group sample after rolling strengthening
试片组别
试样
1
2-1
2-2
3-1
3-2
2 h强化后试片挠度值
0.12
0.26
0.27
0.08
0.08
3 h强化后试片挠度值
0.30
0.30
0.27
0.04
0.04
6 h强化后试片挠度值
0.20
0.30
0.30
0.07
0.06
允许值/mm
0.12~0.36
≥0.06
由表2可以看出, 位于基面和纵向的检验试片挠度值满足标准规定要求, 而位于横向的试片挠度值基本满足标准规定要求。 表明疲劳试样不同表面强化效果满足要求。
2.2 疲劳试样残余应力
采用X射线衍射法测量被强化疲劳试样上的表面残余应力, 未强化和强化的残余应力为负值, 也就是压应力, 见表3。
由表3可以看出, 未强化试样纵向和横向残余应力分布不均匀, 而不同时间强化后变得均匀, 且残余应力值相差很小。
2.3 疲劳试样硬化层深度
采用X射线衍射法测量被强化疲劳试样上的硬化层深度, 检测方向为纵向, 试验结果见表4。
由表4可见, 3种强化时间的硬化层深度均满足标准规定要求。 2, 3 h无差异, 6 h硬化层加深。
表3 表面残余应力值Table 3 Surface residual stress
强化时间/h
未强化
2
3
6
残余应力/MPa
纵向
-37
-217
-221
-213
横向
-114
-204
-197
-181
表4 强化处理的疲劳试样上硬化层深度Table 4Hard layer depth after rolling strengthening on fatigue sample
强化时间/h
2
3
6
硬化层深度/mm
0.16
0.16
0.2
标准规定值/mm
0.15~0.25
2.4 疲劳性能
试验采用低频轴向疲劳, 试验的应力比为0.1, 加载频率为10 次/min左右。 疲劳试验结果见图4。
图4 不同强化时间的疲劳性能 Fig.4 Fatigue properties of different strengthening time
体现强化效果的主要参数是表面硬化层深度和表面残余应力, 硬化层深度随强化时间增加而变厚, 表面残余应力亦随强化时间增加而变大, 但由于材料基体内部抵抗变形的作用, 使得表面残余压应力不可能无限增大, 当硬化层达到一定厚度后相反会因应力松驰逐渐降低。 从表3和表4的数据分析, 强化时间增至6 h时, 硬化层深度相对强化3 h加深, 但表面残余应力却有所降低, 而材料的抗疲劳性能强烈依赖于表面残余压应力, 残余压应力一方面能够在裂纹产生前的一段过程中起着降低交变载荷中拉应力水平的作用, 使裂纹源不易产生; 另一方面可提高决定材料由于缺陷 (阳极化对样品表面完整性不利) 或微裂纹而扩展的临界应力强度因子幅度ΔK th 值, 使裂纹不易扩展, 从而明显提高材料的抗疲劳性能。
从图4可以看出, 强化3 h后继续增加强化时间疲劳性能反而有所降低。 鉴于此, 并考虑工厂实际生产效率和零件使用寿命, 强化时间选择在3 h左右为宜。
3 结 论
滚筒强化处理可明显提高7B04铝合金零件的疲劳寿命。 滚筒强化时间选择在3 h左右为宜。
参考文献
[1] 刘 锁. 金属材料的疲劳性能与喷丸强化工艺[M ].北京:国防工业出版社, 1977.119.
[2] 王少洪, 周 , 康煜平. 稀土元素在LD30铝合金真空钎焊中的作用[J].中国稀土学报, 2002, 20 (4) :327.
[3] 孙小东, 朱梅五, 丁振斌, 等. 铝合金牺牲阳极研究进展[J].稀有金属, 2003, 27 (5) :376.
