鋁-鋁螺栓接頭的壓痕處理工藝

刊名：International Journal of Fatigue（英）

刊期：2015年第80期

作者：S.Fragapane et al

編譯：趙喚

研究了鋁-鋁（AW6082-T6）單搭螺栓連接的靜態(tài)特性和疲勞性能。對厚度分別為3mm和5mm 的AW6082-T6鋁合金螺栓連接樣件進(jìn)行試驗，并將厚度為3mm的鋁合金螺栓連接樣件進(jìn)行雙邊壓痕工藝處理。該研究比較了僅經(jīng)過鉆孔處理的單搭螺栓連接OD樣件和經(jīng)過鉆孔/壓痕處理的單搭螺栓連接IP樣件的機(jī)械強(qiáng)度。

在MTS 810材料試驗機(jī)上對上述樣件進(jìn)行了靜態(tài)試驗。在螺栓連接中，載荷主要通過連接部件附近的壓縮和剪切應(yīng)力在耦合表面區(qū)域間進(jìn)行傳遞。通過扭矩扳手對連接部件施加約8Nm的預(yù)負(fù)荷，確保部件不產(chǎn)生局部変形。靜態(tài)試驗結(jié)果表明，在起始第一階段，對螺栓施加預(yù)載荷，負(fù)荷僅通過摩擦傳遞；在第二階段，部分負(fù)荷通過螺栓上的剪切應(yīng)力傳遞，孔邊緣處的結(jié)構(gòu)承載應(yīng)力；在第三即最后階段，螺栓連接的負(fù)荷降低，直至接頭完全失效。在負(fù)荷控制模式下，以10Hz和最小/最大負(fù)荷比率等于0.1的條件下對螺栓連接進(jìn)行疲勞試驗。試驗中，記錄螺栓連接發(fā)生疲勞故障的循環(huán)次數(shù)和裂紋擴(kuò)展情況，確定螺栓連接的疲勞壽命和相應(yīng)的W?hler圖，分析單搭螺栓連接的機(jī)械性能和失效模式。在ANSYS環(huán)境中對單搭螺栓接頭的三維模型進(jìn)行數(shù)值分析，評估壓痕處理后板上的殘余應(yīng)力。

鉆孔之前對單搭螺栓連接進(jìn)行壓痕處理會使其孔周圍產(chǎn)生周向壓縮應(yīng)力，這增加了螺栓孔結(jié)構(gòu)的機(jī)械性能。研究結(jié)果表明：①經(jīng)過壓痕處理，孔周圍會產(chǎn)生永久性壓應(yīng)力場，這樣有助于延緩裂紋的繼續(xù)擴(kuò)展；②經(jīng)過鉆孔和壓痕處理的單搭螺栓連接IP樣件的拉伸強(qiáng)度比僅經(jīng)過鉆孔處理的單搭螺栓連接OD樣件提高了23%；③而在施加較高負(fù)荷的條件下，經(jīng)過鉆孔和壓痕處理的單搭螺栓連接IP樣件的疲勞壽命比僅經(jīng)過鉆孔處理的單搭螺栓連接OD樣件提高約50%；④在較低負(fù)荷條件下，經(jīng)過鉆孔和壓痕處理的單搭螺栓連接IP樣件的疲勞強(qiáng)度比僅經(jīng)過鉆孔處理的單搭螺栓連接OD樣件約提高32%。