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吉川噴砂機加工對疲勞壽命的影響

發(fā)布時(shí)間：2013-08-05 00:16:05  瀏覽：

噴砂機由拋丸／噴丸強化引入的殘余壓應力是最終拉應力強度的一個(gè)百分比，該比率隨著(zhù)零件材料本身強度／硬度增加而增加。高強度／硬度的金屬更脆，且對表面缺陷更敏感。對其進(jìn)行拋丸／噴丸強化，能讓這些高強度金屬可以應用在易發(fā)生疲勞的工作條件下。飛機起落架通常設計的疲勞強度為300KSI（2068MPA），結合拋丸／噴丸強化。
 
    機加工過(guò)程會(huì )明顯影響金屬零件的疲勞屬性。這種影響可以是有害的，也可以是有益的。有破壞性的工藝包括焊接、研磨、過(guò)度磨削、金屬加工等，這些讓零件表面形成殘余拉應力。殘余拉應力和承受的載荷應力會(huì )一同加速零件早期疲勞失效。  
 
    有益的機加工工藝包括表面硬化，即向零件表面導入一個(gè)壓應力。珩磨、拋光、滾壓噴砂機都旨在消除由于機加工過(guò)程而引起的表面缺陷和抵消有害的拉應力，從而改善零件的表面屬性。表面滾壓同樣可以導入壓應力，但往往受限于圓柱形的幾何形狀；而拋丸／噴丸強化無(wú)形狀限制，且最經(jīng)濟有效，強化效果相當顯著(zhù)。 
 
    以下試驗說(shuō)明了殘余應力對疲勞壽命的影響。一個(gè)飛機機翼制造商，對其中一個(gè)蒙皮緊固件進(jìn)行試驗，該零件在工作到其預期壽命60％的時(shí)候，產(chǎn)生了微裂紋。對該裂紋發(fā)生部位進(jìn)行拋丸／噴丸強化，結果發(fā)現，該緊固件的抗疲勞壽命延長(cháng)了300％，即使在減少了橫截面厚度的情況下都沒(méi)有再發(fā)生裂紋延展或進(jìn)一步擴大。
 
    焊接
 
    焊接后會(huì )產(chǎn)生殘余拉應力，因為焊接是在焊接材料處于熔化狀態(tài)進(jìn)行的，那時(shí)噴砂機是材料最熱、最膨脹外擴的狀態(tài)。然而再將其與表面溫度低很多的基體材料相接合。焊料迅速降溫，并試圖在降溫過(guò)程中收縮。由于焊料已經(jīng)與比它溫度低且更強大的基體材料接合，所以無(wú)法實(shí)現快速收縮。其結果就是焊料實(shí)際上是被基體材料“拉伸”開(kāi)。受熱區域是殘余拉應力集中的部位，也是失效經(jīng)常發(fā)生的部位。焊接補充材料、化學(xué)成分、幾何形狀、致密性等的不一致性，會(huì )加劇殘余拉應力的提高，從而加速疲勞失效的發(fā)生。拋丸／噴丸強化能有效地抵消掉焊接在受熱區域引起的，會(huì )導致失效的殘余拉應力，使由材料表面由原來(lái)的拉應力狀態(tài)轉變?yōu)閴簯顟B(tài)。 
 
    由焊接、熱應力釋放合拋丸／噴丸強化所引起的一系列殘余應力之有趣變化。焊接造成的拉應力加之零件服役后所承受的載荷應力，會(huì )共同急劇加速焊接部位的早期失效。 
 
    如果對焊接部位在1150F（620攝氏度）下進(jìn)行持續1小時(shí)熱應力釋放，表面的殘余拉應力就會(huì )降至零，從而改善該區域的疲勞屬性。 
 
    如果用拋丸／噴丸強化來(lái)代替熱應力釋放，也會(huì )同樣甚至更好地將材料表面的殘余拉應力狀態(tài)轉變成殘余壓應力狀態(tài)，這會(huì )顯著(zhù)且有效地阻止疲勞裂紋形成和延伸。 
 
    最佳的工藝工序是，焊接后先進(jìn)性應力釋放再進(jìn)行噴丸強化。應力釋放可軟化焊接材料，從而能最大可能性地產(chǎn)生一個(gè)更深的壓應力層。
 
    美國焊接學(xué)會(huì )（AMS）手冊提醒，如果鋼結構如以下所描述的承受疲勞載荷，就需要考慮焊接引起的殘余拉應力，“結構件里的局部應力可能是完全由外部載荷引起，也可能由外部載荷和殘余應力聯(lián)合影響而導致的。殘余應力是非循環(huán)性的，但它會(huì )或增加或抵消外部交變應力應力。因此，在預計會(huì )遭遇交變應力應力的焊接部位導入一個(gè)殘余壓應力是有益的。”  
 
利用拋丸／噴丸強化來(lái)改善焊接零件的抗疲勞屬性和延緩、噴砂機阻滯應力腐蝕裂紋形成已被以下機構確認證實(shí)：
 
    ?美國機械工程師學(xué)會(huì ) 
 
    ?美國船舶局  
 
    ?美國石油協(xié)會(huì )
 
    ?美國國際腐蝕工程師協(xié)會(huì )
 
     磨削  
 
    一般情況下，磨削過(guò)程中由于局部受熱，會(huì )引起拉應力形成。金屬與磨料介質(zhì)接觸，會(huì )局部產(chǎn)生熱，從而試圖擴展。受熱的材料弱于周?chē)饘?，在冷卻時(shí)，壓力屈服的金屬試圖收縮，而周?chē)饘僮柚沽诉@一收縮，從而引起殘余拉應力。任何程度的殘余拉應力都會(huì )負面影響疲勞壽命，促發(fā)應力腐蝕裂開(kāi) 
 
    不同磨削工藝產(chǎn)生的殘余拉應力。一塊1020，150－180BHN碳化鋼（焊接過(guò)和未焊接過(guò)），進(jìn)行過(guò)度磨削和常規磨削。顯示過(guò)度磨削加工會(huì )導致高表面拉應力，且更深的拉應力層。磨削后的拋丸／噴丸強化，能將原先的殘余拉應力狀態(tài)扭轉成殘余壓應力狀態(tài)。 
 
    電鍍 
 
    很多零件在鍍鉻和化學(xué)鍍鎳前先經(jīng)過(guò)拋丸／噴丸強化，以抵御電鍍對于疲勞壽命的有害影響。疲勞點(diǎn)蝕常發(fā)生于脆性表面、氫脆性或殘余拉應力引起的微裂紋。由鍍硬鉻產(chǎn)生的細小裂紋。在疲勞載荷下，這些微裂紋在基體材料里會(huì )向四周延展，最后導致疲勞失效。  
 
    如果基體材料預先經(jīng)過(guò)拋丸／噴丸強化，噴砂機電鍍產(chǎn)生的疲勞裂紋沿基體材料衍伸的可能性就大大降低。微裂紋在基體材料內延展開(kāi)；右圖顯示的是當經(jīng)過(guò)拋丸／噴丸強化后，導入的壓應力層阻止了微裂紋向周?chē)难苌?、擴展。  
 
    對于需承受交變應力的零件，建議在電鍍前先進(jìn)行拋丸／噴丸強化，以改善零件的疲勞屬性。對于在動(dòng)態(tài)載荷下，要求無(wú)限壽命的零件，聯(lián)邦規格QQ－C－320和MIL－C－26074明確規定，鋼制零件在鍍鉻和化學(xué)鍍鎳前必須先經(jīng)過(guò)拋丸／噴丸強化。  
 
    陽(yáng)極氧化  
 
    硬質(zhì)陽(yáng)極氧化是拋丸／噴丸強化以改善涂層材料抗疲勞性能的另一種應用。其功能優(yōu)勢與電鍍相類(lèi)似，都是基體材料在陽(yáng)極處理前進(jìn)行拋丸／噴丸強化。  
 
    等離子噴涂
 
    等離子噴涂主要用于要求高耐磨性的情況下。在等離子噴涂前對基體材料進(jìn)行預拋丸／噴丸強化，被證實(shí)為能有效提高抗疲勞強度的方法。等離子噴涂工藝后進(jìn)行拋丸／噴丸強化，則能改善表面光整度和致密性。

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