董 星,王瑞红,段 雄

(1.黑龙江科技大学机械工程学院,黑龙江哈尔滨 150022;2.黑龙江科技大学计算机与信息工程学院,黑龙江哈尔滨 150022;3.中国矿业大学机电工程学院,江苏徐州 221008)

水射流喷丸强化的试验研究

董 星1,王瑞红2,段 雄3

(1.黑龙江科技大学机械工程学院,黑龙江哈尔滨 150022;2.黑龙江科技大学计算机与信息工程学院,黑龙江哈尔滨 150022;3.中国矿业大学机电工程学院,江苏徐州 221008)

为获得水射流喷丸强化对材料表面力学特性和疲劳寿命的影响规律,选择喷丸压力、移动速度和靶距为影响因素,应用水射流对2A11铝合金和45钢进行喷丸试验;采用显微硬度计和X射线应力分析仪分别测定喷丸表面显微硬度和表面残余应力,利用扫描电子显微镜进行疲劳断口形貌观察,应用能谱仪进行内部疲劳源区夹杂物成分分析,获得水射流喷丸强化增益效果及疲劳裂纹萌生机制,指出水射流喷丸可以提高两种材料的表面显微硬度、表面残余压应力和疲劳寿命,并存在最大表面显微硬度靶距和最大表面残余压应力靶距,在试验条件下,2A11铝合金和45钢喷丸疲劳试样比未喷丸疲劳试样的疲劳寿命分别最大提高1.74倍和2.67倍,且水射流喷丸疲劳裂纹萌生位置的机制与传统喷丸相同。

水射流;喷丸强化;疲劳寿命;显微硬度;残余压应力

水射流喷丸强化是20世纪80年代末发展起来的一项湿法喷丸强化新技术[1],是高压水射流技术相对较新的应用领域。其工作原理就是以水为工作介质,将携带巨大能量的水射流连续不断地高速喷射到金属零件表面上,使零件表层材料在再结晶温度下产生塑性形变,呈现理想的组织结构和残余应力分布,达到提高金属零件疲劳抗力的目的[2]。

水射流喷丸强化的主要特点是喷丸表面粗糙度值增加小、无热影响区、易于控制、绿色环保,目前在国外得到了快速发展,并已应用于工业领域[3－9]。我国高压水射流喷丸强化技术起步较晚,现主要侧重于空化水射流和前混合水射流的喷丸强化研究[2,10－15],而在水射流喷丸强化方面的研究还很少[16]。

本文选用2A11铝合金和45钢为试验材料,选择工艺参数中对喷丸性能起主要作用的喷丸压力、移动速度和靶距为影响因素,研究表面显微硬度、表面残余压应力随喷丸工艺参数的变化规律,探索喷丸对两种材料疲劳寿命的增益效果,以期为该技术在我国的快速发展进一步提供技术支持。

1 试验材料

选择2A11铝合金和45钢(调质处理)为试验材料。采用XJP－3A型双目金相显微镜做材料显微组织分析,其2A11铝合金试样金相显微组织中基体为α相,晶粒呈等轴状,在α相基体上弥散分布着黑色点状的θ相(Al2Cu)和S相(Al2CuMg),45钢试样金相组织为回火索氏体。采用MTS 810 Material Test system做材料单向拉伸试验,其室温强度指标如下: σ0.2=346 MPa,σb=474 MPa(2A11铝合金);σs= 705 MPa,σb=830 MPa(45钢)。

2A11铝合金和45钢的喷丸试样采用小圆试样,试样的拟喷丸表面经电解抛光;疲劳试样选用4点加力的光滑圆柱形试样,按国标GB 4337—84要求设计结构和尺寸。

2 试验装置与试验方法

水射流喷丸试验装置如图1所示。试验选择对喷丸性能起主要作用的喷丸压力、喷嘴移动速度和靶距3个影响因素进行喷丸试样的喷丸试验,因素水平为3～7级。射流喷丸表面覆盖率为100%。

喷丸试样和疲劳试样的喷丸条件分别见表1和表2,喷丸过程如图2所示。

按GB 4337—84要求进行疲劳试验,试验中采用成组试验法,应力振幅采用3级应力水平,每级应力水平测3个试样的数据,然后根据疲劳寿命试验数据绘制S－N曲线的有限寿命。

图1 水射流喷丸试验装置Fig.1 Test equipment of water jet peening

表1 喷丸试样的喷丸条件Table 1 Peening condition of peening specimens

表2 疲劳试样的喷丸条件Table 2 Peening condition of fatigue specimens

3 试验结果及分析

3.1 喷丸对表面显微硬度的影响

采用MHV2000数显显微硬度计测定试样表面显微硬度,施加的试验力为0.490 4 N,试验力施加方法为自动加卸试验力,试验力保持时间为10 s,每个面测5个点的HV0.05,以其均值作为该面的硬度。测得的未喷丸试样表面显微硬度分别为121HV0.05(2A11铝合金)和273HV0.05(45钢)。

图2 喷丸过程Fig.2 Peening process

图3为喷丸压力、移动速度和靶距对喷丸表面显微硬度的影响曲线。由图3(a)可见,随着喷丸压力的增加,2A11铝合金和45钢两种材料的喷丸表面显微硬度均逐渐增大。对于2A11铝合金,当压力从最初的80 MPa增加至100 MPa时,显微硬度基本没有变化,之后增大的也很缓慢,当压力增加至200 MPa时,显微硬度仅增大到130HV0.05;对于45钢,当压力为140 MPa时,显微硬度为305HV0.05,之后增大得也较快,当压力增加至220 MPa时,显微硬度增大到327HV0.05。

如图3(b)所示,对2A11铝合金,在试验的速度范围内,显微硬度基本没有变化;对45钢,随着速度的增加,显微硬度缓慢减小,当速度从198 mm/min增加至594 mm/min时,显微硬度由319HV0.05减小到294HV0.05。

图3 显微硬度与压力、速度和靶距的关系Fig.3 Relationship of micro hardness,pressure,velocity and target distance

另外,两种材料喷丸表面显微硬度均随靶距的增加而增大,但两者增大的程度不同(图3(c))。当靶距从10 mm增加至40 mm时,2A11铝合金和45钢的喷丸表面显微硬度分别由122HV0.05增大到137HV0.05和由319HV0.05增大到323HV0.05。根据非淹没水射流的技术特性计算可知,由直径0.33 mm喷嘴喷射形成的水射流最大核心段长度为44.55 mm,因此,当靶距在10～40 mm之间变化时,射流工作在核心段;可以预测,随着靶距的继续增加,射流工作将逐渐进入基本段,射流的轴向速度将逐渐衰减。因此,一定存在一个最大显微硬度靶距(包括40 mm),在该靶距位置,喷丸表面显微硬度将达到最大。

3.2 喷丸对表面残余压应力的影响

采用XSTRESS3000 X－ray Stress Analyzer测定试样表面残余应力,测得的未喷丸试样表面残余压应力分别为－40.1 MPa(2A11铝合金)和－36.1 MPa(45钢)。

图4为喷丸压力、移动速度和靶距对喷丸表面残余压应力的影响曲线。由图4可见,喷丸可以显著提高2A11铝合金和45钢两种材料的表面残余压应力,且表面残余压应力随喷丸压力和靶距的增加而迅速增大,随移动速度的增加而减小。

如图4(a)所示,对2A11铝合金和45钢,当压力分别从80 MPa增加至200 MPa和从140 MPa增加至220 MPa时,其喷丸表面残余压应力分别由－46.2 MPa增大到－137.8 MPa和由－40.0 MPa增大到－79.4 MPa。

如图4(b)所示,当移动速度从198 mm/min增至594 mm/min时,2A11铝合金和45钢两种材料的喷丸表面残余压应力分别由－64.1 MPa减小到－43.3 MPa和由－67.2 MPa减小到－39.4 MPa。

如图4(c)所示,当靶距从10 mm增加至40 mm时,2A11铝合金和45钢的喷丸表面残余压应力分别由－64.1 MPa增到－108.3 MPa和由－67.2 MPa增到－219.2 MPa。根据非淹没水射流的技术特性,可以预测,随着靶距的继续增加,在靶距的变化范围内(包括40 mm靶距)一定存在一个最大残余压应力靶距,在该靶距位置,喷丸表面残余压应力将达到最大。

图4 残余压应力与压力、速度和靶距的关系Fig.4 Relationship of residual press stress,pressure,velocity and target distance

3.3 喷丸对疲劳寿命的影响

图5给出了2A11铝合金和45钢未喷丸与采用水射流喷丸的疲劳试样有限寿命S－N曲线。

图5 2A11铝合金和45钢的有限寿命曲线Fig.5 Limited life curves of 2A11 aluminum alloy and 45 steel

由图5可见,在试验应力振幅条件下,经水射流喷丸的疲劳试样的疲劳寿命比未喷丸疲劳试样的疲劳寿命均有一定程度的提高,且随着应力振幅的减小疲劳寿命提高的幅度增大,两种材料相比,随着应力振幅的减小,45钢喷丸疲劳试样的疲劳寿命提高的幅度好于2A11铝合金。

对2A11铝合金,在试验的3级应力振幅水平中,喷丸疲劳试样的疲劳寿命比未喷丸疲劳试样的疲劳寿命最大提高1.74倍,出现在155.7 MPa应力振幅水平,其疲劳寿命由未喷丸时的2.857×105次提高到喷丸时的4.964×105次;而当疲劳寿命为2.857× 105次时,喷丸疲劳试样的应力振幅由未喷丸时的155.7 MPa提高到170.4 MPa,增大了1.09倍。

对45钢,在试验的3级应力振幅水平中,喷丸疲劳试样的疲劳寿命比未喷丸疲劳试样的疲劳寿命最大提高2.67倍,出现在282 MPa应力振幅水平,其疲劳寿命由未喷丸时的1.888×105次提高到喷丸时的5.046×105次;而当疲劳寿命为1.888×105次时,喷丸疲劳试样的应力振幅由未喷丸时的282 MPa提高到309.2 MPa,增大了1.1倍。

3.4 疲劳断口分析

为确定经水射流喷丸的2A11铝合金和45钢疲劳试样在应力疲劳条件下的疲劳裂纹萌生和扩展过程,采用MX2600FE Turbo Pumped Scanning Electron Microscope观察分析疲劳断裂试样的断口形貌,以确定断裂机制,采用能谱仪对断裂试样内部疲劳源区夹杂物进行成分分析。疲劳断口形貌观察发现,喷丸的2A11铝合金疲劳试样,有的疲劳裂纹萌生于试样内部,有的疲劳裂纹萌生于试样表面;而喷丸的45钢疲劳试样,疲劳裂纹萌生于试样表面。

图6给出了经水射流喷丸的2A11铝合金疲劳试样在190.3 MPa应力振幅条件下形成的疲劳断口形貌。由图6(a)可见,疲劳裂纹萌生于试样内部的夹杂物处,且在断口表面出现多个疲劳源,最近疲劳源距试样表面的距离约150 μm;能谱分析表明,引起缺陷的夹杂物为氧化物。由图6(b)可以看到疲劳裂纹扩展过程中形成的疲劳条带,在条带表面附有大量的球状氧化物。

图7给出了经水射流喷丸的45钢疲劳试样在282 MPa应力振幅条件下形成的疲劳断口形貌。由图7(a)可见,经水射流喷丸的45钢疲劳试样没能消除试样表面缺陷的影响将疲劳源挤到试样内部,疲劳裂纹仍然萌生于试样表面缺陷处并以穿晶方式扩展,在断口表面出现明显的擦伤痕迹和解理台阶;由图7(b)可以看到平行于疲劳条带的细小二次裂纹。

图6 2A11铝合金疲劳断口形貌Fig.6 Fatigue fracture topography of 2A11 aluminum alloy

图7 45钢疲劳断口形貌Fig.7 Fatigue fracture topography of 45 steel

4 结 论

(1)水射流喷丸表面显微硬度随喷丸压力和靶距的增加而增大,并存在最大表面显微硬度靶距,且在试验移动速度范围内,2A11铝合金的表面显微硬度基本没有变化,45钢的表面显微硬度随移动速度的增加缓慢减小。

(2)水射流喷丸可以提高2A11铝合金和45钢的表面残余压应力、疲劳寿命和应力振幅,其喷丸表面残余压应力随喷丸压力和靶距的增加而迅速增大,随移动速度的增加而减小,并存在最大表面残余压应力靶距,且在试验条件下,喷丸疲劳试样比未喷丸疲劳试样的疲劳寿命、应力振幅分别最大提高1.74倍、1.09倍(2A11铝合金)和2.67倍、1.1倍(45钢)。

(3)疲劳断口形貌观察发现,水射流喷丸疲劳裂纹萌生位置的机制与传统喷丸相同;能谱分析表明, 2A11铝合金喷丸试样内部引起裂纹的夹杂物为氧化物。

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Test research of water jet peening strengthening

DONG Xing1,WANG Rui-hong2,DUAN Xiong3

(1.Institute of Mechanical Engineering,Heilongjiang University of Science and Technology,Harbin 150022,China;2.College of Computer and Information Engineering,Heilongjiang University of Science and Technology,Harbin 150022,China;3.College of Mechanical and Electrical Engineering,China University of Mining and Technology,Xuzhou 221008,China)

In order to obtain the effect laws of water jet peening strengthening effect on peened material surface mechanical properties and fatigue life,chosen peening pressure,movement velocity,target distance as effect factors,did peening test to 2A11 aluminum alloy and 45 steel by water jet.The micro hardness tester and X-ray stress analyzer were used to respectively determine peened surface micro hardness and surface residual stress.The scanning electron microscope was used to observe the fatigue fracture morphology,the energy dispersive spectrometer was used to analyze inclusions composition in the area of internal fatigue source,got the water jet peening strengthening amplification effect and fatigue crack initiation mechanism.It is indicated that water jet peening can improve the surface micro hardness, surface residual press stress and fatigue life of both materials,the biggest surface micro hardness target distance and the biggest surface residual press stress target distance exist.Under test conditions,the fatigue life of peened samples on 2A11 aluminum alloy and 45 steel,respectively,increases 1.74 times and 2.67 times at most than that of initial samples,moreover,the mechanism of the fatigue crack initiation position with water jet peening is the same to traditional peening.

water jet;peening strengthening;fatigue life;micro hardness;residual press stress

TQ639.1

A

0253－9993(2014)03－0568－06

董 星,王瑞红,段 雄.水射流喷丸强化的试验研究[J].煤炭学报,2014,39(3):568－573.

10.13225/j.cnki.jccs.2013.0449

Dong Xing,Wang Ruihong,Duan Xiong.Test research of water jet peening strengthening[J].Journal of China Coal Society,2014,39(3): 568－573.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2013.0449

2013－04－10 责任编辑:许书阁

哈尔滨市科技创新人才研究专项资金资助项目(2012RFXXG095)

董 星(1964—),男,河北滦平人,教授,博士。Tel:0451－88036728,E－mail:dongxingwrh@163.com