董 星,王瑞紅,段 雄

(1.黑龍江科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,黑龍江哈爾濱 150022;2.黑龍江科技大學(xué)計算機(jī)與信息工程學(xué)院,黑龍江哈爾濱 150022;3.中國礦業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,江蘇徐州 221008)

水射流噴丸強(qiáng)化的試驗(yàn)研究

董 星1,王瑞紅2,段 雄3

(1.黑龍江科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,黑龍江哈爾濱 150022;2.黑龍江科技大學(xué)計算機(jī)與信息工程學(xué)院,黑龍江哈爾濱 150022;3.中國礦業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,江蘇徐州 221008)

為獲得水射流噴丸強(qiáng)化對材料表面力學(xué)特性和疲勞壽命的影響規(guī)律,選擇噴丸壓力、移動速度和靶距為影響因素,應(yīng)用水射流對2A11鋁合金和45鋼進(jìn)行噴丸試驗(yàn);采用顯微硬度計和X射線應(yīng)力分析儀分別測定噴丸表面顯微硬度和表面殘余應(yīng)力,利用掃描電子顯微鏡進(jìn)行疲勞斷口形貌觀察,應(yīng)用能譜儀進(jìn)行內(nèi)部疲勞源區(qū)夾雜物成分分析,獲得水射流噴丸強(qiáng)化增益效果及疲勞裂紋萌生機(jī)制,指出水射流噴丸可以提高兩種材料的表面顯微硬度、表面殘余壓應(yīng)力和疲勞壽命,并存在最大表面顯微硬度靶距和最大表面殘余壓應(yīng)力靶距,在試驗(yàn)條件下,2A11鋁合金和45鋼噴丸疲勞試樣比未噴丸疲勞試樣的疲勞壽命分別最大提高1.74倍和2.67倍,且水射流噴丸疲勞裂紋萌生位置的機(jī)制與傳統(tǒng)噴丸相同。

水射流;噴丸強(qiáng)化;疲勞壽命;顯微硬度;殘余壓應(yīng)力

水射流噴丸強(qiáng)化是20世紀(jì)80年代末發(fā)展起來的一項濕法噴丸強(qiáng)化新技術(shù)[1],是高壓水射流技術(shù)相對較新的應(yīng)用領(lǐng)域。其工作原理就是以水為工作介質(zhì),將攜帶巨大能量的水射流連續(xù)不斷地高速噴射到金屬零件表面上,使零件表層材料在再結(jié)晶溫度下產(chǎn)生塑性形變,呈現(xiàn)理想的組織結(jié)構(gòu)和殘余應(yīng)力分布,達(dá)到提高金屬零件疲勞抗力的目的[2]。

水射流噴丸強(qiáng)化的主要特點(diǎn)是噴丸表面粗糙度值增加小、無熱影響區(qū)、易于控制、綠色環(huán)保,目前在國外得到了快速發(fā)展,并已應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域[3－9]。我國高壓水射流噴丸強(qiáng)化技術(shù)起步較晚,現(xiàn)主要側(cè)重于空化水射流和前混合水射流的噴丸強(qiáng)化研究[2,10－15],而在水射流噴丸強(qiáng)化方面的研究還很少[16]。

本文選用2A11鋁合金和45鋼為試驗(yàn)材料,選擇工藝參數(shù)中對噴丸性能起主要作用的噴丸壓力、移動速度和靶距為影響因素,研究表面顯微硬度、表面殘余壓應(yīng)力隨噴丸工藝參數(shù)的變化規(guī)律,探索噴丸對兩種材料疲勞壽命的增益效果,以期為該技術(shù)在我國的快速發(fā)展進(jìn)一步提供技術(shù)支持。

1 試驗(yàn)材料

選擇2A11鋁合金和45鋼(調(diào)質(zhì)處理)為試驗(yàn)材料。采用XJP－3A型雙目金相顯微鏡做材料顯微組織分析,其2A11鋁合金試樣金相顯微組織中基體為α相,晶粒呈等軸狀,在α相基體上彌散分布著黑色點(diǎn)狀的θ相(Al2Cu)和S相(Al2CuMg),45鋼試樣金相組織為回火索氏體。采用MTS 810 Material Test system做材料單向拉伸試驗(yàn),其室溫強(qiáng)度指標(biāo)如下: σ0.2=346 MPa,σb=474 MPa(2A11鋁合金);σs= 705 MPa,σb=830 MPa(45鋼)。

2A11鋁合金和45鋼的噴丸試樣采用小圓試樣,試樣的擬噴丸表面經(jīng)電解拋光;疲勞試樣選用4點(diǎn)加力的光滑圓柱形試樣,按國標(biāo)GB 4337—84要求設(shè)計結(jié)構(gòu)和尺寸。

2 試驗(yàn)裝置與試驗(yàn)方法

水射流噴丸試驗(yàn)裝置如圖1所示。試驗(yàn)選擇對噴丸性能起主要作用的噴丸壓力、噴嘴移動速度和靶距3個影響因素進(jìn)行噴丸試樣的噴丸試驗(yàn),因素水平為3～7級。射流噴丸表面覆蓋率為100%。

噴丸試樣和疲勞試樣的噴丸條件分別見表1和表2,噴丸過程如圖2所示。

按GB 4337—84要求進(jìn)行疲勞試驗(yàn),試驗(yàn)中采用成組試驗(yàn)法,應(yīng)力振幅采用3級應(yīng)力水平,每級應(yīng)力水平測3個試樣的數(shù)據(jù),然后根據(jù)疲勞壽命試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制S－N曲線的有限壽命。

圖1 水射流噴丸試驗(yàn)裝置Fig.1 Test equipment of water jet peening

表1 噴丸試樣的噴丸條件Table 1 Peening condition of peening specimens

表2 疲勞試樣的噴丸條件Table 2 Peening condition of fatigue specimens

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 噴丸對表面顯微硬度的影響

采用MHV2000數(shù)顯顯微硬度計測定試樣表面顯微硬度,施加的試驗(yàn)力為0.490 4 N,試驗(yàn)力施加方法為自動加卸試驗(yàn)力,試驗(yàn)力保持時間為10 s,每個面測5個點(diǎn)的HV0.05,以其均值作為該面的硬度。測得的未噴丸試樣表面顯微硬度分別為121HV0.05(2A11鋁合金)和273HV0.05(45鋼)。

圖2 噴丸過程Fig.2 Peening process

圖3為噴丸壓力、移動速度和靶距對噴丸表面顯微硬度的影響曲線。由圖3(a)可見,隨著噴丸壓力的增加,2A11鋁合金和45鋼兩種材料的噴丸表面顯微硬度均逐漸增大。對于2A11鋁合金,當(dāng)壓力從最初的80 MPa增加至100 MPa時,顯微硬度基本沒有變化,之后增大的也很緩慢,當(dāng)壓力增加至200 MPa時,顯微硬度僅增大到130HV0.05;對于45鋼,當(dāng)壓力為140 MPa時,顯微硬度為305HV0.05,之后增大得也較快,當(dāng)壓力增加至220 MPa時,顯微硬度增大到327HV0.05。

如圖3(b)所示,對2A11鋁合金,在試驗(yàn)的速度范圍內(nèi),顯微硬度基本沒有變化;對45鋼,隨著速度的增加,顯微硬度緩慢減小,當(dāng)速度從198 mm/min增加至594 mm/min時,顯微硬度由319HV0.05減小到294HV0.05。

圖3 顯微硬度與壓力、速度和靶距的關(guān)系Fig.3 Relationship of micro hardness,pressure,velocity and target distance

另外,兩種材料噴丸表面顯微硬度均隨靶距的增加而增大,但兩者增大的程度不同(圖3(c))。當(dāng)靶距從10 mm增加至40 mm時,2A11鋁合金和45鋼的噴丸表面顯微硬度分別由122HV0.05增大到137HV0.05和由319HV0.05增大到323HV0.05。根據(jù)非淹沒水射流的技術(shù)特性計算可知,由直徑0.33 mm噴嘴噴射形成的水射流最大核心段長度為44.55 mm,因此,當(dāng)靶距在10～40 mm之間變化時,射流工作在核心段;可以預(yù)測,隨著靶距的繼續(xù)增加,射流工作將逐漸進(jìn)入基本段,射流的軸向速度將逐漸衰減。因此,一定存在一個最大顯微硬度靶距(包括40 mm),在該靶距位置,噴丸表面顯微硬度將達(dá)到最大。

3.2 噴丸對表面殘余壓應(yīng)力的影響

采用XSTRESS3000 X－ray Stress Analyzer測定試樣表面殘余應(yīng)力,測得的未噴丸試樣表面殘余壓應(yīng)力分別為－40.1 MPa(2A11鋁合金)和－36.1 MPa(45鋼)。

圖4為噴丸壓力、移動速度和靶距對噴丸表面殘余壓應(yīng)力的影響曲線。由圖4可見,噴丸可以顯著提高2A11鋁合金和45鋼兩種材料的表面殘余壓應(yīng)力,且表面殘余壓應(yīng)力隨噴丸壓力和靶距的增加而迅速增大,隨移動速度的增加而減小。

如圖4(a)所示,對2A11鋁合金和45鋼,當(dāng)壓力分別從80 MPa增加至200 MPa和從140 MPa增加至220 MPa時,其噴丸表面殘余壓應(yīng)力分別由－46.2 MPa增大到－137.8 MPa和由－40.0 MPa增大到－79.4 MPa。

如圖4(b)所示,當(dāng)移動速度從198 mm/min增至594 mm/min時,2A11鋁合金和45鋼兩種材料的噴丸表面殘余壓應(yīng)力分別由－64.1 MPa減小到－43.3 MPa和由－67.2 MPa減小到－39.4 MPa。

如圖4(c)所示,當(dāng)靶距從10 mm增加至40 mm時,2A11鋁合金和45鋼的噴丸表面殘余壓應(yīng)力分別由－64.1 MPa增到－108.3 MPa和由－67.2 MPa增到－219.2 MPa。根據(jù)非淹沒水射流的技術(shù)特性,可以預(yù)測,隨著靶距的繼續(xù)增加,在靶距的變化范圍內(nèi)(包括40 mm靶距)一定存在一個最大殘余壓應(yīng)力靶距,在該靶距位置,噴丸表面殘余壓應(yīng)力將達(dá)到最大。

圖4 殘余壓應(yīng)力與壓力、速度和靶距的關(guān)系Fig.4 Relationship of residual press stress,pressure,velocity and target distance

3.3 噴丸對疲勞壽命的影響

圖5給出了2A11鋁合金和45鋼未噴丸與采用水射流噴丸的疲勞試樣有限壽命S－N曲線。

圖5 2A11鋁合金和45鋼的有限壽命曲線Fig.5 Limited life curves of 2A11 aluminum alloy and 45 steel

由圖5可見,在試驗(yàn)應(yīng)力振幅條件下,經(jīng)水射流噴丸的疲勞試樣的疲勞壽命比未噴丸疲勞試樣的疲勞壽命均有一定程度的提高,且隨著應(yīng)力振幅的減小疲勞壽命提高的幅度增大,兩種材料相比,隨著應(yīng)力振幅的減小,45鋼噴丸疲勞試樣的疲勞壽命提高的幅度好于2A11鋁合金。

對2A11鋁合金,在試驗(yàn)的3級應(yīng)力振幅水平中,噴丸疲勞試樣的疲勞壽命比未噴丸疲勞試樣的疲勞壽命最大提高1.74倍,出現(xiàn)在155.7 MPa應(yīng)力振幅水平,其疲勞壽命由未噴丸時的2.857×105次提高到噴丸時的4.964×105次;而當(dāng)疲勞壽命為2.857× 105次時,噴丸疲勞試樣的應(yīng)力振幅由未噴丸時的155.7 MPa提高到170.4 MPa,增大了1.09倍。

對45鋼,在試驗(yàn)的3級應(yīng)力振幅水平中,噴丸疲勞試樣的疲勞壽命比未噴丸疲勞試樣的疲勞壽命最大提高2.67倍,出現(xiàn)在282 MPa應(yīng)力振幅水平,其疲勞壽命由未噴丸時的1.888×105次提高到噴丸時的5.046×105次;而當(dāng)疲勞壽命為1.888×105次時,噴丸疲勞試樣的應(yīng)力振幅由未噴丸時的282 MPa提高到309.2 MPa,增大了1.1倍。

3.4 疲勞斷口分析

為確定經(jīng)水射流噴丸的2A11鋁合金和45鋼疲勞試樣在應(yīng)力疲勞條件下的疲勞裂紋萌生和擴(kuò)展過程,采用MX2600FE Turbo Pumped Scanning Electron Microscope觀察分析疲勞斷裂試樣的斷口形貌,以確定斷裂機(jī)制,采用能譜儀對斷裂試樣內(nèi)部疲勞源區(qū)夾雜物進(jìn)行成分分析。疲勞斷口形貌觀察發(fā)現(xiàn),噴丸的2A11鋁合金疲勞試樣,有的疲勞裂紋萌生于試樣內(nèi)部,有的疲勞裂紋萌生于試樣表面;而噴丸的45鋼疲勞試樣,疲勞裂紋萌生于試樣表面。

圖6給出了經(jīng)水射流噴丸的2A11鋁合金疲勞試樣在190.3 MPa應(yīng)力振幅條件下形成的疲勞斷口形貌。由圖6(a)可見,疲勞裂紋萌生于試樣內(nèi)部的夾雜物處,且在斷口表面出現(xiàn)多個疲勞源,最近疲勞源距試樣表面的距離約150 μm;能譜分析表明,引起缺陷的夾雜物為氧化物。由圖6(b)可以看到疲勞裂紋擴(kuò)展過程中形成的疲勞條帶,在條帶表面附有大量的球狀氧化物。

圖7給出了經(jīng)水射流噴丸的45鋼疲勞試樣在282 MPa應(yīng)力振幅條件下形成的疲勞斷口形貌。由圖7(a)可見,經(jīng)水射流噴丸的45鋼疲勞試樣沒能消除試樣表面缺陷的影響將疲勞源擠到試樣內(nèi)部,疲勞裂紋仍然萌生于試樣表面缺陷處并以穿晶方式擴(kuò)展,在斷口表面出現(xiàn)明顯的擦傷痕跡和解理臺階;由圖7(b)可以看到平行于疲勞條帶的細(xì)小二次裂紋。

圖6 2A11鋁合金疲勞斷口形貌Fig.6 Fatigue fracture topography of 2A11 aluminum alloy

圖7 45鋼疲勞斷口形貌Fig.7 Fatigue fracture topography of 45 steel

4 結(jié) 論

(1)水射流噴丸表面顯微硬度隨噴丸壓力和靶距的增加而增大,并存在最大表面顯微硬度靶距,且在試驗(yàn)移動速度范圍內(nèi),2A11鋁合金的表面顯微硬度基本沒有變化,45鋼的表面顯微硬度隨移動速度的增加緩慢減小。

(2)水射流噴丸可以提高2A11鋁合金和45鋼的表面殘余壓應(yīng)力、疲勞壽命和應(yīng)力振幅,其噴丸表面殘余壓應(yīng)力隨噴丸壓力和靶距的增加而迅速增大,隨移動速度的增加而減小,并存在最大表面殘余壓應(yīng)力靶距,且在試驗(yàn)條件下,噴丸疲勞試樣比未噴丸疲勞試樣的疲勞壽命、應(yīng)力振幅分別最大提高1.74倍、1.09倍(2A11鋁合金)和2.67倍、1.1倍(45鋼)。

(3)疲勞斷口形貌觀察發(fā)現(xiàn),水射流噴丸疲勞裂紋萌生位置的機(jī)制與傳統(tǒng)噴丸相同;能譜分析表明, 2A11鋁合金噴丸試樣內(nèi)部引起裂紋的夾雜物為氧化物。

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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,王瑞紅,段 雄.水射流噴丸強(qiáng)化的試驗(yàn)研究[J].煤炭學(xué)報,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 責(zé)任編輯:許書閣

哈爾濱市科技創(chuàng)新人才研究專項資金資助項目(2012RFXXG095)

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