疲劳强度资料

高强度铝合金缺口喷丸加工的疲劳特性：使用临界距离法的实验和预测文章信息:关键词：文章历史：喷丸处理收到2009年8月18日缺口疲劳修改稿1月20日收到2010年高强度铝合金接受2010年2月24日临界距离理论可在线2010年3月6日残余应力摘要：本论文旨在探讨不同喷丸处理对携带不同类型的缺口铝7075-T651样品疲劳的影响。WohlerS-Ncurves是通过在不同的实验条件通过反向弯曲得出实验结论。通过改变不同的疲劳强度发现，这取决于喷丸强度，而且，尤其是，对于不同的切口的几何形状的处理不同的效果：接收到的更重要的缺口较大通过在降低疲劳缺口敏感性方面的喷丸硬化处理有益效果和增量的缺口疲劳强度。疲劳改善相对于未进行喷丸状况和疲劳的喷丸强度的影响讨论了处理残余应力的效果。在装载过程中残余应力再分配的程度是通过在普通试样的量调查x射线衍射(XRD)。,根据应用负载发现了表面压力的进化可以到一个稳定值。通过该喷丸处理，并且利用X射线衍射，利用数字技术的手段对缺口试样产生的残余应力场进行了评价，此外，疲劳载荷的应用程序已经为蓝本为了研究在凹口附近的残余应力的松弛。稳定的残余应力值已被并入到多轴疲劳准则来预测疲劳性。最后，一个临界距离理论方法已被用来预测承载应力集中的压缩残余应力场的耐疲劳性。1.介绍铝合金看起来对飞机和汽车行业非常有吸引力，不断寻求能源的改进来提高运输车辆的效率，因为他们的特有的高静态强度。通常,高静态力学性能诱导铝合金是通过弥散硬化和老龄化热处理的方案来解决的。然而，在用更常见的高对比度金属材料，比如钢材，就静态机械性能来看，他们表现出相对较差疲劳性能。在高周疲劳机制（5百万周期）疲劳续航力约为拉伸强度[1]的14。此外，加强铝合金高疲劳缺口承受的恶化硬化的处理[2]更为敏感。因此，在应力集中的存在下，像孔，圆角和凹槽，这些始终存在于机械设备中的零件，特别不利于这些合金的疲劳响应，从而限制了在具有复杂形状并具有高应力机械零件中的使用。由于多数疲劳裂纹起始于零件的表面上，零件表面的抵抗裂纹萌生和早期裂纹扩展的条件是一个有吸引力的提高疲劳性能的方法。由于这个原因，铝合金经常受到表面处理。例如，喷丸处理一直受到特别的关注，在普通钢的疲劳寿命和轻合金[3-7]，允许有明显的增量。在文献中，这种改进的主要部分已经几乎一致归因于在应力在表面区域引入残余应力。同时负责延迟疲劳裂纹的萌生和较低的小裂纹扩展速率[3,8-10]。进一步的效果，即使大部分仍然有争议，由于工作硬化，其中，一方面，负责增强抗裂纹萌生的能力，在另一边，导致较低的裂纹扩展的阻力减小，应为材料脆化[9]。一些研究表明残余压应力，比如从喷丸，表面轧制和表面硬化表面处理中产生的。显著地提高工程材料的缺口疲劳性[11〜13]。然而，这些调查研究并没有考虑到铝合金，主要集中存在于传统的钢中。此外，仅仅在现有的文献[11〜15]的数据似乎并没有以提供残余应力对缺口疲劳强度的影响一个令人信服的解释。事实上，已经表明，残余应力场将集中在缺口附近，类似于外部载荷应力集中效应。然而，由于测量尖锐缺口附近残余应力的的难度，很少有实验数据可在文献中查到。此外,由压缩产生有益影响的残余应力强烈依赖于稳定的使用寿命[14]。通过缺口产生的集聚效应和残余应力场可能会导致残余应力的松弛，由于实现了材料的塑性流动的原因[15]，从而通过残余压应力的疲劳响应改善切口的意图被挫败了。最后，喷丸处理可是否以充分覆盖小的几何细节仍然是目前还不清楚的问题。所有这些原因，导致估计所述槽口耐疲劳的难度，限制了喷丸处理的应用，以使承受应力集中的铝合金机械部件的应用有所限制。笔者最近研究了三种类型的拍摄效果在反向弯曲的条件下进行喷丸处理的铝7075-T651合金的纯疲劳反应[16]。在目前的工作中，按综合基准已经过测试已知的实验条件下由相同的Al合金的缺口样品和受到相同的喷丸处理，以收集实验数据。在文献[16]它表明：（一）喷丸显著提高了Al合金纯疲劳响应（二）本残余应力场不显示与关于在初始条件明显变化的500万次疲劳忍耐压力（三）有些松弛发生在更短的疲劳寿命，更显着的较高的压力水平。普通疲劳反应是直接与表面的残余应力，使用锡尼什标准纳入稳定的残余应力场的平均应力并且可以成功地预测相关问题。然而，人们发现，在更强烈的喷丸条件下的高周疲劳行为而是由初始塑性变形的条件决定的，作为压缩之间的叠加的效果和所施加的反向弯曲的压峰的残余应力，为了保存剩余的稳定应力场。文献[17]进行了数值研究表明[16]观察到的残余应力松弛实际上是由于塑性流动，而不是周期性的放松。术语ANeuber缺口特征长度S线性有效应力A，B中周疲劳材料常数确定特征长度T疲劳效果的散射f在疲劳周期的一个给定数目的普x,y,z集中在缺口尖端，其中y所在的通的疲劳强度平分线笛卡尔参考系统f-1在疲劳周期的一个给定数目的交a,b代表Sines标准方程的参数替疲劳强度f0在疲劳周期的一个给定数目的脉^f疲劳强度范围动纯疲劳强度kWohler曲线的在双对数下的斜率^Kth门槛应力强度因子疲劳裂纹扩展范围K1c平面应变断裂韧性rp50疲劳特性与50％的失败概率（相应的10％和90％）L材料特征长度r0p50Wöhler曲线y轴截距在双对数下失效为50%的概率L0在高循环疲劳机制的材料的特征r1,2,3应力张量的主要组成部分长度Ls静电材料特征长度r5x10^6疲劳特性对应于5x10^6Kf缺口疲劳因子ra应用于弯曲应力幅值Nf周期失败的数目req等效应力P,m静水压力rY0.20.2％屈服应力q疲劳缺口敏感性rRS残余应力r缺口根圆角半径rVMVonMises等效应力R应力比rUTS极限拉伸强度这些结果已经解决了目前的第二部分的工作，也就是专门预测经过喷丸处理切口样品的疲劳寿命。虽然纯疲劳可以使用等效应力来计算成功，该函数是在试样的表面上的外部和残余应力场得出的，这样过于保守的做法必然是针对缺口部分。在过去，许多不同的方法已经被提出，考虑到与这种现象挂钩的材料的疲劳缺口敏感性。或许，其中最容易采纳的方法是基于临界距离的理论，上个世纪，原来是通过Neuber[18]和Petterson的[19]中的中间开发，在过去的几十年，是许多研究者（例如见[20〜23]）的进一步研究。在本文，临界距离的理论方法用于预测的中期喷丸样品拍摄的高周疲劳行为。用于此目的，在[17]中描述的数值方法的基础上，初始和稳定的残余应力域已经确定，合并在一个等效应力，基于多轴疲劳已经平均超过标准材料的特征长度。2.材料和实验程序该实验已对铝7075-T651合金进行了操作，广泛用于航空航天应用，随附在4毫米厚的热轧板的形式。散装材料特性已经确定在五个标准的单调拉伸试验10（初始应变速率310s1）进行纵向取向.结果，总结于表1,显示出了屈服强度高于500兆帕，再加上良好的延展性材料（18％的总延伸率）。表1：E(GPa)0.2()YMPaUTS()MPaF()MPaT.E.(%)R.A.(%)73(1)515(5)565(5)760(10)18(2)24(2)在几何形状为棱柱的试件进行了疲劳特性实验，根据标准ISO3928，示于图1。在如图所描述样品中的圆角半径，图1a是大到足以使任何缺口疲劳效应都可以忽略不计。在下文中他们将被视为''光滑“或''纯”样本。该缺口试样，其几何形状被示于图1b，通过电火花加工制(EDM)。特别注重2边V型缺口的正确加工（90度的孔径角），其中显著影响着应力分布。缺口根部圆角半径被设置为2毫米（''钝“缺口试样）和0.5毫米（''尖”缺口样品），因此，理论应力集中系数分布的范围为1.53到2.33。三种控制的喷丸硬化处理已经考虑在内，其工艺参数列于表2（详情可参见参考文献[16]）。每个处理一直使用陶瓷珠进行，这允许更高的疲劳性能与钢丸[24]比较了。名为CE-B120的处理采用了小型的陶瓷珠，导致一个温柔肤浅的效果，与较大尺寸的陶瓷珠，第二个称为CE-Z425的处理已经以产生更深的冷加工层。CEB120处理后，第三次称为CE的梳型处理是双锤击包括于CE-Z425之中。由喷丸硬化所施加的表面粗糙度的影响,其处理是已经量化的轮廓测量，其结果可在[16]中找到。此外，喷丸缺口试样的表面形貌已经通过SEM分析研究（而光滑的样品中报告参考文献[16]）。结果发现，用在更加激烈的喷丸处理的大镜头，即CE-Z425和CE-Comb，产生大而深的的撞击坑。在CE-B120和CE-Comb条件下，在表面和表面轮廓上。更小的尺寸的凹坑被观察到。此外，在喷丸条件下，观察到在接近钝缺口顶点的区域的是均匀的（没有报道为简明起见）。反之，在有孔玻璃珠撞击综合征的轻微效率（标以箭头在图2a）已经发现，当在CEZ425处理中使用的大珠的大小变得与尖锐型缺口试样的缺口根圆角半径具有可比性。显然,切口的深度已经足够高，影响着形缺口侧表面v的珠子的偏离轨道。这种效果是，反过来，隐藏预见着CE-Comb处理后的CE-B120工艺条件，它能够均匀地覆盖尖锐缺口根区（图2b）。引起的喷丸残余应力场的分析处理已进行了由通过应力分布X射线衍射（XRD）技术的测量（有关详情载于文献给出_[16,17]）。类似的结果已经通过由盲孔钻技术[25]获得。在CE-B120，CE-Z425，CE-Comb的条件下，图3示出了初始残余应力的分布。值得注意的是，在后一种情况下，经过CE-B120处理，受到更强烈的喷丸处理（CEZ425和CE-Comb）的标本特征是更深层次的压缩残余应力分布和更高的分压肤浅峰。表层受到压缩残余应力很的影响小,峰值位于表面上。在CE-Z425和CE-Comb处理就表面残留应力的和肤浅的峰值来看略有不同，而压峰值的深度几乎是相同的的测量（0.075-0.080毫米）。在表面之下，两种处理之间的差异往往会淡出近200微米。在室温空气和在30赫兹的标称频率条件下，反向（零平均应力，R=1）平面弯曲位移控制疲劳试验已经进行了。该微结构在与平行于L方向上的应力轴经过了测试。对应于不同的疲劳应力水平在范围在4510到6510的周期已经被考虑在内。疲劳曲线对应的失效概率为50％，由S-N曲线可以得出：50P=050P1KfN(1)按照标准程序[26]，通过拟合日志（fN）与log（）的结果获得。不确定性范围被假定为是恒定的，并通过其质心值近似。因为散射的代表性，下面的表达式被使用：表2：处理珠子大小(um)珠子硬度(HV1)珠子组成铝的强度珠子速度（m.s）98％的覆盖率饱和时间（s）撞击的角度覆盖率（％）CE-B12063-125700ZrO267%4.5N5721090100CE-Z425425-600SiO231%4.5A26160CE-Comb图2：图3：90101:PPT(2)P90，P10分别表示故障概率的90％和10％的水平，6510循环疲劳特性是由一个渐进的过程得到的，采用12-15个样品。3.疲劳强度和缺口敏感性反向弯曲疲劳试验的结果以及P50疲劳线是与图4a-c的平滑度比较得出的，钝口和尖锐缺口试样，分别各自考虑了不同材料的变形。参数代表着对应的失效概率为50％的疲劳曲线，根据式（1）公式和（2）公式的计算，结果分散，并且疲劳特性周期为6510的结果列于表三中。所有考虑的喷丸处理可以有效的延长材料的疲劳寿命，即使是有应力集中的存在。这种改进取决于所施加的载荷，对应于较长的疲劳，存在着更为显著的载荷水平，然而，降低了P50疲劳曲线线的斜率值，除了CE-Z425这种处理。它也可以被观察到越是强烈的喷丸处理（CE-Z425和CE-Comb）没有导致进一步改善疲劳性能，比起温和的处理（CE-B120）来看，但是，相反，给疲劳响应一个不太积极的影响，尤其是在高周疲劳机制获得。在对失败断口缺口试样的分析测量中（那些在文献[16]的普通样本报告），这里为简便起见就没有报道，已经进行了。在所有喷丸条件下，他们表明在一个区域疲劳裂纹的萌生非