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2024鋁合金因密度小,比強度高等優點,多服役于航空航天,船舶等承受復雜循環載荷作用的領域中,在服役過程中,疲勞損傷斷裂是鋁合金零件主要的失效方式。如何提高鋁合金抵抗復雜循環載荷作用的能力,即提高其疲勞壽命,是本文的研究目標。
絕大多數疲勞破壞都是從材料的表面開始。對材料的表面進行強韌化處理將有助于提高材料的抗疲勞性能。本文分別采用表面機械滾壓技術與超聲表面滾壓技術對退火態2024鋁合金表面進行強化處理,制備出表面梯度結構強化試樣。通過光學顯微鏡、超景深顯微鏡、粗糙度測量儀分析和測量滾壓處理2024鋁合金微觀組織變化、表面形貌、粗糙度。通過顯微硬度計、萬能試驗機、疲勞試驗機對滾壓強化2024鋁合金截面硬度梯度,拉伸性能和疲勞壽命進行表征與測量。研究了滾壓處理道次、主軸轉速、滾壓頭加載模式和吃刀量4個參數對2024鋁合金表面形貌、微觀組織、力學性能和疲勞性能的影響,得到主要結論如下,
(1)滾壓道次對材料綜合性能影響較大,隨著滾壓道次的提高,試樣表面粗糙度呈現先降低再升高的趨勢,當0.1mm吃刀量滾壓4至5道次后,試樣表面顯微硬度因加工硬化趨于飽和。主軸轉速對表面機械滾壓試樣影響較小,在100~600r/min范圍,材料表面粗糙度,表面硬度以及拉伸強度等幾乎沒有變化。使用改進結構的滾壓頭,實現了應變控制滾壓和應力控制滾壓。經1~4道次滾壓處理后,應變控制模式下制備出綜合性能更好的材料,當滾壓超過4道次后,應力控制模式下可以制備出綜合性能更好的材料。當吃刀量由0.1mm增加至0.2mm后,試樣晶粒細化區域與硬度梯度層厚度并沒有明顯變化,當進給總量一致時,滾壓處理試樣表面塑性變形程度相當,粗糙度相近,強度與塑性也無明顯差異。綜合材料組織與力學性能的變化,得到最優工藝參數,主軸轉速600r/min、吃刀量為0.1mm、應力控制滾壓處理5道次。
(2)利用超聲表面滾壓處理技術制備了2024鋁合金梯度結構強化試樣,研究了加工道次對超聲滾壓處理2024鋁合金表面形貌及力學性能的影響,結果表明經過低道次滾壓后,試樣表面性能隨著滾壓道次增加而優化,多道次滾壓后,試樣表面性能下滑嚴重。最終經過超聲滾壓2道次后,材料整體性能最優。
(3)通過殘余應力測試與軸向拉壓疲勞測試發現,相對于普通機械滾壓處理,超聲滾壓處理工藝可以獲得更高的殘余應力。使用相同的疲勞參數,相對于未處理的原始試樣,經過超聲滾壓處理后的2024鋁合金疲勞壽命大幅度提升,最高提升約11倍,疲勞壽命平均值提升約6倍。相比之下,普通機械滾壓處理對2024鋁合金疲勞壽命提升效果稍弱,提升約2倍。
