超声波喷丸覆盖率对AA2024疲劳性能的影响*

史学刚 薛建刚 张 雷

(南京航空航天大学机电学院，江苏南京 210016)

AA2024是超硬铝合金，具有高比强度和比刚度、较好的耐腐蚀性和较高的韧性等优点，是航空航天、兵器、交通运输等行业最重要的结构材料之一［1］。实际使用中的AA2024零部件绝大部分承受交变载荷的作用，表面层承受的交变应力最大且易受外界环境的影响，表面层往往就成为了裂纹的栖息之地。为了防止或减少表面层裂纹的萌生和扩展，工程上往往采用表面改性技术来改善材料的使用性能。

超声波喷丸是近年来提出的一种新型表面改性方法，它利用大功率的超声波推动冲击工具以每秒二万次以上的频率冲击金属物体表面，由于超声波的高频、高效和聚焦下的大能量，使金属表层产生剧烈的塑性变形［2］。同时在喷丸区域呈现高密度位错和有益的残余压应力分布，从而能够显著提高零部件的强度及疲劳寿命。超声波喷丸作为一种节能、绿色、先进的新型技术，在航空航天、汽车等领域中有着广泛的应用。

覆盖率是喷丸的重要参数。国外研究学者已经非常重视覆盖率对疲劳性能的影响，相关国防报告［3］报道了喷丸覆盖率对4340钢常温抗拉疲劳性能影响。然而在我国，目前还没有文献专门对超声波喷丸覆盖率进行深入的研究;在工程应用中，虽然已经肯定了100%覆盖率对喷丸效果的影响，但是覆盖率高于100%时的喷丸效果却还没有定性的结论。实际上，不同的覆盖率喷丸对表面完整性及疲劳寿命有很大影响。因此，很有必要开展超声波喷丸覆盖率对铝合金高周疲劳性能的影响研究。以AA2024为研究对象，开展了超声波喷丸对于铝合金表面完整性和疲劳寿命影响的研究，分析了覆盖率(100%、200%、300%)对AA2024高周疲劳性能的影响。

1 试验条件

1.1 试验设备

采用由南京航空航天大学自主研制的超声波喷丸装置(如图 1所示)进行超声波喷丸试验［4］;采用TR101袖珍式表面粗糙度仪测定超声波喷丸后试样的表面粗糙度Ra值;采用MVC－1000A1型显微硬度计对超声波喷丸后沿深度方向的显微硬度进行测量，载荷选择200 g，载荷时间为15 s;采用MSF－3M型X射线衍射残余应力测试仪，使用交相关定峰法进行了残余应力场测试和衍射峰半高宽分析;采用PLG－100C型高频疲劳试验机，测量未喷丸试样和不同超声波喷丸覆盖率试样的横幅轴向应力拉－拉疲劳性能。

1.2 试验材料

试验材料采用AA2024。室温20℃下的力学性能如下:抗拉强度 σb为 470 MPa，屈服强度 σ0.2为 325 MPa，伸长率δ为10%，显微硬度为170 HV，弹性模量E为68 GPa，密度ρ为2 770 kg/m3。热处理方式为固溶处理加自然时效处理。

1.3 试验方法

试验前对AA2024试样表面进行机械抛光处理，以获得光洁平整的表面，然后采用超声波喷丸装置对试样进行双面喷丸以保持试样的平整。超声波喷丸采用3种不同的规范，分别记为A、B和C，其工艺参数如表1所示。

表1 AA2024超声波喷丸工艺参数

2 试验结果

2.1 表面粗糙度

超声波喷丸后的表面粗糙度分布如图2所示。从图中可以看出，超声波喷丸处理后试样的表面粗糙度值明显增大，最大接近2 μm，粗糙度值随着喷丸覆盖率的增大而略有减小。研究表明，粗糙的表面会引起明显的载荷应力集中，影响到材料的疲劳寿命［5］。因此，可以通过提高覆盖率来减小试样的表面粗糙度值。

2.2 显微硬度

显微硬度沿层深分布如图3所示。从图中可以看出，超声波喷丸后试样表面及沿层深的显微硬度得到明显提高，且随覆盖率的增大而提高，未喷丸试样沿层深的显微硬度值基本趋于一致。同一覆盖率下，试样显微硬度随深度的增加而下降，之后趋于平缓。

2.3 残余应力场

超声波喷丸产生的残余应力大小及残余应力的分布对于疲劳性能具有较大的影响。超声波喷丸后的残余应力场如图4所示。随着覆盖率的增加，表面残余压应力和最大残余压应力均有所增大。经过不同表面覆盖率喷丸后，残余压应力在深度120 μm左右达到最大值。喷丸覆盖率达到300%时，最大残余压应力达到－293.5 MPa，相比之下，覆盖率为100%和200%时，最大残余压应力分别为－252.3 MPa和－281.2 MPa。另一方面，喷丸覆盖率达到100%时，残余压应力场深度仅为300 μm;覆盖率达到200%和300%时，残余压应力场深度在350～400 μm之间。

2.4 半高宽

X射线衍射峰半高宽(FWHM)指的是衍射峰最大强度1/2处所占的角度范围。在仪器固定的情况下，半高宽反映了材料冷作硬化程度、微观残余应力的大小以及晶体内部位错密度的高低［6］。

图5是经过不同覆盖率喷丸后，半高宽随深度的变化趋势。与未喷丸试样相比，超声波喷丸后试样的半高宽显著增大，表面半高宽值随覆盖率的增大而增大，半高宽值随着深度增加而减小。当深度超过125 μm时，半高宽值基本不变，与残余压应力场深度(300 μm左右)相比，超声波喷丸对半高宽影响层深度要小很多。对于超声波喷丸，半高宽变化的主要原因是由于冷作硬化程度上升以及位错增殖。半高宽数值的增大是冷作硬化的体现，随着覆盖率的增加，循环塑性形变次数增加，冷作硬化加剧。

2.5 高周疲劳寿命

覆盖率对疲劳寿命的影响如图6所示。经过不同覆盖率的超声波喷丸之后，AA2024的高周疲劳寿命明显增加。未喷丸试样的疲劳寿命在8×105次左右，而进行100%、200%和300%覆盖率超声波喷丸后，AA2024 高周疲劳寿命分别达到1.5×106、3.2 ×106和4.3×106次，其中，以300%覆盖率喷丸后寿命增益最为明显，比未喷丸的原始试样提高了5倍以上。

3 分析和讨论

通过疲劳试验可以发现:超声波喷丸的覆盖率对AA2024的疲劳性能有很大影响，而疲劳性能则是表面完整性的综合表现，超声波喷丸对于表面完整性的影响主要包括3个方面:(1)残余应力场;(2)微观组织;(3)表面粗糙度。

(1)超声波喷丸可以在试样表面层引入数值深度均较大的残余压应力场，该残余压应力场起到了重要的抗疲劳作用。较大的残余压应力既可以抵抗外部交变应力，还能抑制疲劳裂纹的萌生;较深的残余压应力场能够阻止裂纹在较深范围内的扩展［7］。因此，超声波喷丸可以明显提高AA2024的疲劳抗力。采用不同覆盖率喷丸，得到的残余应力分布也不同，而喷丸覆盖率存在一个优化值，利用这个优化值进行喷丸，可以获得最佳的残余压应力场分布。因此，选择优化的覆盖率可以显著提高试样的表面完整性及疲劳性能。

(2)超声波喷丸对微观组织的影响是提高疲劳寿命的另一种重要的作用，在交变载荷的作用下，位错密度较大的冷作硬化组织可以增大裂纹扩展的激活能，阻碍裂纹扩展，提高疲劳寿命。半高宽主要反映了表面冷作硬化程度和位错密度，冷作硬化程度越高，位错密度越大，半高宽宽化越强烈、数值越大。与未喷丸试样相比，超声波喷丸后试样的位错密度和冷作硬化程度明显上升，可以阻碍裂纹扩展，提高疲劳寿命。

(3)超声波喷丸后试样的表面粗糙度值增大，而较粗糙的表面容易引起应力集中，而应力集中是疲劳裂纹萌生的主要原因，应力集中越强烈，裂纹萌生时间越短［8］;应力集中还造成了最大残余压应力值下降，削弱了残余压应力的作用［5］，甚至影响到材料的疲劳寿命。然而，分析超声波喷丸对于表面应力集中的影响，不能简单地认为喷丸带来的表面粗糙加大会对表面完整性以及疲劳性能有不利的影响，还应考虑喷丸后凹坑的曲率半径较大对于表面完整性和疲劳性能的积极作用。

4 结语

(1)超声波喷丸覆盖率对AA2024的疲劳性能有重要的影响，采用300%覆盖率喷丸时，AA2024的疲劳寿命提高了5倍左右，而100%和200%覆盖率下的疲劳寿命则分别提高了2倍和4倍。

(2)不同的超声波喷丸覆盖率造成铝合金疲劳性能差别的主要原因是由于形成的表面完整性状态(表面粗糙度、显微硬度、残余应力场和微观组织)的差异。采用300%覆盖率喷丸，可以使AA2024保持较小的表面粗糙度值(Ra1.6 μm)，较高的显微硬度，较好的残余应力分布和稳定的强化层微观组织，因此，经过300%覆盖率喷丸后AA2024的疲劳性能较好。

［1］李亭.2024铝合金搅拌摩擦焊研究［D］.北京:清华大学，2007.

［2］刘海英.超声喷丸强化机理的研究［D］.太原:太原理工大学，2008.

［3］Gao Yukui，Li Xiangbin，Yang Qingxiang.Influence of surface integrity on fatigue strength of 40CrNi2Si2MoVA steel［J］.Material letters，2007，61:466－46.

［4］高琳.高能超声波喷丸板料成形技术研究［D］.南京:南京航空航天大学，2012.

［5］李金魁，姚枚，王仁智，等.喷丸强化的综合效应理论［J］.航空学报，1992，13(11):670 －677.

［6］王欣，蔡建明，王强，等.喷丸表面覆盖率对Ti60高温钛合金疲劳性能的影响［J］.中国表面工程，2011，24(5):58 －63.

［7］陈勃，高玉魁，吴学仁，等.喷丸强化7475－T351铝合金的小裂纹行为和寿命预测［J］.航空材料学报，2010，31(3):519 －525.

［8］王欣，王强，宋颖刚，等.陶瓷丸喷丸对2124铝合金疲劳性能的影响［J］.材料保护，2011(9).