俞申偉， 李 劍， 方 敏， 齊芳娟

(1.南車南京蒲鎮(zhèn)車輛有限公司，江蘇 南京 210000;2.石家莊鐵道大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，河北 石家莊 050043)

近些年來，鋁合金以其獨(dú)特的性能在載運(yùn)工具各個(gè)行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用，尤其是大型客機(jī)和高速列車。載運(yùn)工具采用鋁合金車體或機(jī)身，都離不開焊接，鋁合金在焊接后會(huì)出現(xiàn)焊縫區(qū)及熱影響區(qū)的疲勞性能降低的現(xiàn)象，這些種現(xiàn)象會(huì)嚴(yán)重影響到載運(yùn)工具的使用壽命［1-5］。因此，如何提高鋁合金焊接結(jié)構(gòu)的疲勞壽命具有重大的經(jīng)濟(jì)意義，也成為科研工作者的研究熱點(diǎn)之一。

有研究者［6］指出，改善疲勞性能最簡(jiǎn)單最有效的方法就是引入合適的殘余應(yīng)力場(chǎng)?；谶@樣的原理，結(jié)合激光技術(shù)的發(fā)展，從“局部工程”的概念出發(fā)提出了“局部激光表面處理”的方法，以期引入合適的殘余應(yīng)力場(chǎng)提高7075鋁合金結(jié)構(gòu)的抗疲勞破壞能力。

選擇航空用7075鋁合金為實(shí)驗(yàn)材料，分別對(duì)局部激光表面處理前后試樣的疲勞裂紋擴(kuò)展行為進(jìn)行了試驗(yàn)研究，并結(jié)合有限元?dú)堄鄳?yīng)力模擬及硬度試驗(yàn)等手段對(duì)該方法改善鋁合金疲勞行為的機(jī)理進(jìn)行了分析。

1 試驗(yàn)研究

選用7075鋁合金作為載運(yùn)工具用鋁合金材料的代表來進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)所用7075鋁合金為西南鋁業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司生產(chǎn)，合金狀態(tài)為7075-T6，規(guī)格為6 mm×1220 mm×2440 mm，抗拉強(qiáng)度為530 MPa，屈服強(qiáng)度為452 MPa，延伸率為12%。其化學(xué)成分如表1所示。

表1 7075鋁合金化學(xué)成分 %

試驗(yàn)用試樣為緊湊拉伸試樣，即CT試樣。試樣規(guī)格為標(biāo)準(zhǔn)的CT-100試樣，按照中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 6398—2000)“金屬材料疲勞裂紋擴(kuò)展速率試驗(yàn)方法”進(jìn)行設(shè)計(jì)加工。CT-100試樣的具體尺寸如圖1所示。

1.1 激光表面掃描處理

激光掃描設(shè)備為武漢華工激光成套設(shè)備有限公司生產(chǎn)的HG-HL-5000型CO2激光器。激光表面處理的工藝參數(shù)包括:激光的熱輸入功率、光斑直徑、掃描速率、激光處理道的間距等。具體處理工藝條件及安排如表2所示。其中的“20 mm”表示激光光斑中心距離缺口尖端20 mm的CT試樣;“5 mm”表示激光光斑中心距離缺口尖端5 mm的CT試樣。為了防止鋁合金表面對(duì)激光的反射，在CT試樣表面涂了一層吸光涂料。

表2 CT試樣激光表面處理工藝參數(shù)

1.2 疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)

圖1 CT-100試樣尺寸圖(單位:mm)

疲勞實(shí)驗(yàn)使用長(zhǎng)春試驗(yàn)機(jī)研究所生產(chǎn)的高頻拉壓疲勞試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)力比R=0.5，ΔK=6 MPa·m1/2，Pmax=5.32 kN，Pmin=2.66 kN，a0=20 mm。實(shí)驗(yàn)共測(cè)試12個(gè)試樣，其中母材4個(gè)，激光處理距離缺口尖端5 mm處試樣4個(gè)，激光處理距離缺口尖端20 mm處試樣4個(gè)。

在試驗(yàn)過程中要逐一記錄裂紋長(zhǎng)度ai及相應(yīng)的載荷循環(huán)次數(shù)Ni。應(yīng)用擬合a-N曲線求導(dǎo)的方法確定da/dN，采用七點(diǎn)遞增多項(xiàng)式方法處理得到CT試樣的(ΔK)i和(da/dN)i數(shù)據(jù)。

1.3 有限元?dú)堄鄳?yīng)力模擬

利用ANSYS程序?qū)す鈷呙柽^程進(jìn)行模擬計(jì)算。計(jì)算采用間接法進(jìn)行，溫度場(chǎng)選用solid70單元，結(jié)構(gòu)分析選用solid45單元。建模時(shí)，考慮到激光表面處理區(qū)域溫度梯度比較大，對(duì)應(yīng)力變形影響大，采用相對(duì)較小的網(wǎng)格，網(wǎng)格大小為2 mm，其他部位網(wǎng)格大小為4 mm(過渡區(qū)自由劃分)，厚度方向網(wǎng)格大小為2 mm。具體網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖2所示。溫度場(chǎng)計(jì)算中構(gòu)件的初始溫度為20℃，熱對(duì)流系數(shù)為HC=100 W/(m2·℃)。結(jié)構(gòu)計(jì)算中的力學(xué)邊界條件依據(jù)實(shí)際情況，未對(duì)試樣施加任何約束。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 疲勞試驗(yàn)結(jié)果及分析

圖3為母材試樣和兩種激光工藝處理后的試樣的疲勞裂紋擴(kuò)展速率對(duì)比圖。圖3(a)所示為母材和5 mm處激光掃描試樣的da/dN-ΔK關(guān)系對(duì)比，由圖3中可以看出，在低ΔK區(qū)域，經(jīng)過激光表面處理的試樣的裂紋擴(kuò)展速率明顯小于母材試樣，隨著ΔK增加，兩種試樣裂紋擴(kuò)展速率之間的差距逐漸縮小，在高ΔK區(qū)域，兩種試樣的裂紋擴(kuò)展速率相近，裂紋開始失穩(wěn)擴(kuò)展。圖3(b)為母材和20 mm處激光處理試樣的da/dN-ΔK關(guān)系對(duì)比，由圖3中可以看出，在裂紋開始擴(kuò)展階段，經(jīng)過激光表面處理的試樣的裂紋擴(kuò)展速率要明顯小于母材試樣，而隨著ΔK的增加，兩種試樣的裂紋擴(kuò)展速率之間的差距逐漸縮小，但激光處理試樣的裂紋擴(kuò)展速率始終遠(yuǎn)小于母材試樣。兩組對(duì)比試驗(yàn)的結(jié)果都說明局部激光表面處理能有效降低7075鋁合金的疲勞裂紋擴(kuò)展速率，提高疲勞壽命。

2.2 殘余應(yīng)力模擬結(jié)果及分析

圖4為局部激光掃描后兩種試樣x方向殘余應(yīng)力沿裂紋擴(kuò)展路徑的分布。

從圖4中可以看出，5 mm處理試樣表面存在的殘余應(yīng)力較小，僅在缺口尖端存在5 MPa左右的殘余壓應(yīng)力，隨著離缺口尖端距離的增加，壓應(yīng)力值迅速減小，在激光掃描處變?yōu)槔瓚?yīng)力，其值僅為1.5 MPa，隨后，隨著遠(yuǎn)離激光掃描線，拉應(yīng)力轉(zhuǎn)換為壓應(yīng)力，但其值小于1 MPa。20 mm處理試樣在缺口尖端處存在9 MPa的殘余壓應(yīng)力，而后隨著進(jìn)入激光掃描區(qū)域，壓應(yīng)力迅速轉(zhuǎn)換為拉應(yīng)力，在激光掃描中心線上，最大拉應(yīng)力值達(dá)到117 MPa，然后，隨著遠(yuǎn)離激光掃描區(qū)域，拉應(yīng)力又迅速轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力，其值約為5 MPa。

圖2 有限元?jiǎng)澐志W(wǎng)格結(jié)果

圖3 da/dN-ΔK關(guān)系曲線

圖4 x方向殘余應(yīng)力在裂紋擴(kuò)展路徑上的分布

在疲勞裂紋擴(kuò)展速率測(cè)試過程中，由于殘余壓應(yīng)力的存在，相當(dāng)于降低了實(shí)際施加載荷值，從而降低了疲勞載荷的平均應(yīng)力，如圖5所示。

圖5 存在殘余壓應(yīng)力情況下ΔKeff變化示意圖

在圖5中，ΔKeff表示有效應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍。曲線圖表示的是有效應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍ΔKeff不會(huì)隨著存在的殘余壓應(yīng)力對(duì)應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍ΔKappl影響而產(chǎn)生改變。殘余壓應(yīng)力的存在降低了平均有效應(yīng)力強(qiáng)度因子Kmean，eff，因此當(dāng)裂紋擴(kuò)展到這個(gè)范圍時(shí)，疲勞裂紋的擴(kuò)展速率將比只有外加負(fù)載時(shí)降低。

因此，對(duì)于20 mm處理試樣，殘余應(yīng)力的分析結(jié)果可以很好的解釋試樣疲勞性能提高的原因。但對(duì)于5 mm處理試樣，由于殘余應(yīng)力場(chǎng)很小，難以單純從殘余應(yīng)力的角度來解釋疲勞性能提高的原因。而對(duì)其進(jìn)行的硬度試驗(yàn)表明，經(jīng)過激光表面處理后，處理區(qū)域的硬度降低。有文獻(xiàn)［7］指出鋁合金的軟化會(huì)導(dǎo)致疲勞裂紋擴(kuò)展延遲現(xiàn)象，因此，對(duì)于5 mm處理試樣，有可能是局部軟化的作用導(dǎo)致了疲勞性能的提高。

3 結(jié)論

(1)疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)結(jié)果表明，局部激光表面處理能有效降低7075鋁合金裂紋擴(kuò)展速率，提高疲勞壽命。

(2)有限元?dú)堄鄳?yīng)力分析及硬度試驗(yàn)表明:對(duì)距缺口尖端20 mm處理試樣，其存在的殘余壓應(yīng)力是其疲勞性能提高的主要原因;對(duì)5 mm處理試樣，由于殘余應(yīng)力較小，難以對(duì)疲勞性能產(chǎn)生大的影響，其掃描區(qū)域的局部軟化現(xiàn)象是其疲勞性能提高的主要原因。

(3)對(duì)于局部軟化現(xiàn)象對(duì)7075鋁合金疲勞性能的影響，未做深入研究。如需探究局部軟化現(xiàn)象對(duì)鋁合金疲勞性能影響的機(jī)理，尚需進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)研究。

［1］周萬盛，姚君山.鋁及鋁合金的焊接［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

［2］苗景國(guó).鋁合金材料在現(xiàn)代汽車制造業(yè)的應(yīng)用［J］.黑龍江冶金，2009，29(2):26-28.

［3］劉銘，張坤，黃敏，等.7475-T735 鋁合金抗疲勞性能研究［J］.稀有金屬，2009，33(5):626-629.

［4］楊柳青.汽車覆蓋件模具材料激光表面相變硬化工藝與性能研究［D］.南昌:華東交通大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，2002.

［5］馬場(chǎng)義雄，孫本良.飛機(jī)鋁合金發(fā)展動(dòng)向［J］.鋁加工技術(shù)，1990(4):21-31.

［6］陸索，金屬疲勞損傷［M］.北京:國(guó)防工業(yè)出版社，1976.

［7］WAMAN V V.Assessment of fracture and fatigue crack propagation of laser beam and friction stir welded aluminium and magnesium alloys［J］.Advanced Engineering Materials，2006，8(5):399-406.