7075铝合金刚柔耦合结构表面疲劳性能探究

张继林,王栋梁,易湘斌

(兰州工业学院 a.甘肃省精密加工技术及装备工程研究中心; b.甘肃省高校绿色切削加工技术及其应用省级重点实验室,甘肃 兰州 730050)

7075铝合金具有不易腐蚀、比强度高、弯曲应力低、无磁性等特点,在超深井、定向井等工程中有着广泛的应用前景[1]。我国对油气开采的要求越来越高,如深井、超深井等,使得钻探工作变得更加困难,导致钻进故障频发,其中钻具的疲劳破坏率超过80%。现有研究多通过对合金成分、微观结构的调控、对钻柱的热处理和对其表面的挤出织构等手段来提升其机械性能,但存在装备和技术难度大、生产成本高等问题[2]。所以,在今后的发展中,降低材料的价格、提高材料的使用寿命是一种有效的方法。激光冲击强化技术(LSP)是利用高能量、窄脉冲激光对被加工零件进行高速塑性加工,增加零件的位错浓度和残余压应力,进而改善零件的疲劳性能[3-4]。在此基础上,提出了激光冲击强化技术,以改善铝合金钻杆的疲劳性能。本文采用LSP对7075铝合金在不同激光功率密度下的疲劳强度进行分析,探究激光功率密度对7075铝合金残余应力和疲劳性能的影响。

1 试验方案

1.1 材料

研究采用7075铝合金板材(化学成分见表1),厚4 mm,拉伸强度498 MPa,屈服强度419 MPa。

表1 7075铝合金化学成分 w/%

1.2 设备和方法

1.2.1 LPS设备和方法

将50 μm厚的黑胶带粘贴在样品要冲击的表面上,以1 m的水流形成约束层。采用LSP,选取波长为1 064 nm的激光,实施方法为正、反交叉式地对7075铝合金进行LSP。结果得出:脉宽为5 ns、离焦量0、激光光斑50 μm、激光功率密度7.13～10.19 GW/cm2。其中LSP增强2次,详见图1。

图1 7075铝合金LSP示意

1.2.2 疲劳试验设备和方法

以《GB/T3075—1982 金属轴向疲劳试验方法》中拉伸-疲劳性测试为标准,对样品表面进行抛光,然后对样品进行LSP处理,样品大小如图2所示。在22～27 ℃、90～110 Hz加载频率范围内进行疲劳试验。

图2 7075铝合金疲劳试样尺寸(单位:mm)

1.2.3 表征设备与方法

采用粗糙度仪测量检测7075铝合金表面粗糙度,在X、Y两个方向取值共3次,选取平均值[5]。采用残余应力测量仪检测7075铝合金残余应力,在X、Y两个方向取值共3次,选取平均值。采用SU8018扫描电镜(SEM)研究铝合金的微观结构。

2 试验结果与分析

2.1 粗糙度测试结果与分析

试验结果表明:材料的疲劳性能与粗糙度呈正比;经不同激光功率密度处理7075铝合金,得到了其表层形貌的变化情况,在进行激光撞击试验前,试样的X和Y方向的粗糙度Ra都达到了0.08 μm。在激光能量强度为7.13 GW/cm2时,试样X方向上的粗糙度为0.32 μm,Y方向的粗糙度达到0.38 μm,X方向较之前提高了300%,Y方向较之前提高了375%;在不同的激光功率密度下,样品表面的粗糙程度随功率密度的提高而不断提高,当激光功率密度分别为8.15、9.17、10.19 GW/cm2时,较7.13、8.15、9.17 GW/cm2相比,X方向分别增加了25%、17.5%、25.53%,Y方向分别增加了10.5%、16.67%、18.49%,均呈上升趋势。激光冲击处理后,样品表面出现大量等离子体,导致样品表面出现大量的凹坑、皱褶,使得样品表面出现较大的凹凸不平,粗糙度随着增加。随着功率密度的增加,等离子体爆炸波的强度也会随之增加,从而使样品表面出现更多的塑性变形和更多的粗糙度。

图3 LSP前后7075铝合金表面粗糙度

2.2 残余应力测试结果与分析

在铝合金材料的疲劳性能中,随着压缩应力的增大,材料的抗疲劳能力也会随之提高。7075铝合金在不同功率密度下,其表层的残余应力呈现出明显的变化趋势,详见图4。

图4 LSP前后7075铝合金表面的残余应力

在进行激光撞击试验前,对试样进行了X向和Y向的平均残余应力检测,分别为-5.33 MPa和-5.67 MPa。在7.13 GW/cm2的功率密度下,试样X向和Y向的平均残余应力分别为-165.33 MPa和-148.67 MPa;随着功率密度的增加,薄膜的平均残余应力逐渐增加,在激光功率密度为8.15、9.17、10.19 GW/cm2的情况下,X方向分别增加了19.76%、24.24%、1.63%,Y方向分别增加了39.23%、19.48%、0。在强流脉冲下,金属表面发生了许多塑性变形,并在其表层生成大量的位错,引起点阵的扭曲,导致其表层出现大量的压缩残留应力。当激光功率较大时,等离子体激波的瞬间冲击力较强,且发生较大的塑性形变,使残余压缩应力升高[6]。

2.3 疲劳测试结果与分析

在260 MPa的功率密度下,在各种功率密度条件下的疲劳周期如图5所示。经激光冲击处理后,各样品的疲劳周期均有所增大。由图5可以看出:在7.13 GW/cm2的激光功率密度下,试样的平均疲劳周期为68 568次,较之前提高了107.62%;在激光功率密度达到8.15、9.17、10.19 GW/cm2的条件下,样品的疲劳寿命随功率密度的提高而提高36.07%,29.19%,1.39%。经激光冲击后,材料的疲劳寿命比未经处理材料延长1倍以上,显示出较大的残余压应力,显著地延长了材料的疲劳寿命。激光冲击加工时的残余压缩压力和由表面粗糙度导致的应力集中区域存在迭加作用[7]。

图5 LSP前后7075铝合金的疲劳循环次数

LSP过程中的产生的残余压应力与表面粗糙度引起的应力集中区具有叠加效应,如图6所示。图中,σrs为LSP后形成的残余压应力;σes为试样在无应力集中的理想条件下所承受的拉应力。

图6 LSP后缺口应力叠加

在此基础上,提出了一种新的基于裂纹扩展效应的新方法,即裂纹尖端的最大应力与名义应力之间的比值。铝的表面粗糙度和应力集中系数之间的关系为

(1)

式中:n表示应力状态,即剪切状态时n=1,拉伸状态时n=2;p为凹槽轮廓半径;a、b为修正系数;λ为凹槽之间的高度差和距离比值。

λ=Δl/Δh.

(2)

A区域内,应力集中系数Kt与微裂纹处的应力集中系数KtA存在一定关联性,即

(3)

当σrs大于Ktσes时,疲劳性能提高,提示残余压应力可缓解粗糙度造成的影响。

本文以7075铝合金为研究对象,采用 SEM技术,对其进行了激光冲击试验,并对其进行断口分析。从断面观察,各样品都表现出一种具有明显的“河水”性质的类解理断口形貌,并将其划分为疲劳源区、疲劳裂纹扩展区域以及疲劳裂纹扩展区域。疲劳裂缝扩展范围的尺寸可以在某种程度上直接反映出材料的疲劳强度。没有进行 LSP的样品在疲劳测试后出现了最小的扩展,其中以10.19 GW/cm2的能量密度最大。从试样断裂处的扩展区域来看,激光冲击处理能够显著提高铝合金的疲劳强度。

LSP前后7075铝合金疲劳裂纹扩展见图7,可以看出:在激光冲击之前,从铝合金的表层开始产生裂纹,沿晶界处开始蔓延后断裂;在LPS后,晶格发生变形后产生残余压应力σes,σes促使局部裂源处封闭,从而增加了其可承载的最大拉应力,从而延缓了其开裂的发生,并在此过程中产生了残余压应力。此外,激光冲击处理还可以使材料表面的组织变得更细,并能有效地抑制材料的开裂扩展,从而使材料的疲劳性能得到改善。

图7 LSP前后7075铝合金疲劳裂纹扩展

2.4 失效机制

刚柔耦合结构经激光冲击后,其疲劳性能明显提高,且具有很强的离散度,这与其疲劳破坏机理有很大关系。疲劳源区处于辐射型疲劳沟线中央,辐射型疲劳沟线所在部位是裂缝的稳定性扩展范围,一般比较平滑、平坦[8]。熔焊过程中最普遍的一种金属孔洞类型,其产生机制主要有:溶解于高温熔池中的氢气和氮气,在焊缝凝固时因气体的溶解度突然下降,来不及逸出而残留在焊缝中;冶金反应过程产生不溶于金属的气体如一氧化碳;低熔点、高蒸汽压的合金元素蒸发。

在工程实践中,为了去除焊接残余高度及焊趾等缺陷,必须对其进行磨抛加工,该过程会导致材料亚表层的气孔暴露在外,形成自然切口,导致其在疲劳加载下出现剧烈的应力集中并诱发开裂。

同时,由于残余压应力的作用,使微裂纹的萌生和扩展的驱动力减弱,从而使其疲劳开裂的时间大大增加。由于残余压力场的存在,导致了裂纹的起裂部位从表层向亚表层转移[9]。

另外,循环加载时,表面组织会变细,从而降低非均匀滑移,从而增加疲劳性能。试验结果表明,激光冲击可以有效地提高焊接头的抗疲劳性能。其产生的主要原因是:从强应力集中的表层缺陷向亚表层的缺陷或显微组织转变,其开裂过程呈现出多样化、无序化的特征,从而造成了焊接过程中的裂纹成核时间显著不同,从而造成了很大的疲劳性能频散。

3 结论

1) 激光冲击处理后,材料的表面出现了明显的塑性变化,其表面粗糙程度提高了300%,且其形貌随激光能量强度的提高而不断增加。

2) 在强激光场作用下,晶体内和晶体之间的位错分布增多,晶体中的点阵出现扭曲,从而导致残余压缩应力;并且,在提高功率密度为10.19 GW/cm2时,残余压力不再上升。

3) 激光冲击处理后,由于激光冲击作用产生的残余压应力以及组织的细小颗粒对材料的抗疲劳性能有正面作用,其疲劳性能提高了107.62%,并显著增大了开裂区域。