分享：孔內(nèi)壁殘余應(yīng)力和表面粗糙度對(duì)鋁合金緊固孔試樣疲勞壽命的影響

0.   引言

飛機(jī)壁板是飛機(jī)的重要承力構(gòu)件,一般采用鋁合金材料制造[1-3]。壁板上加工有大量的緊固孔,孔邊存在應(yīng)力集中效應(yīng),在交變載荷作用下易產(chǎn)生疲勞裂紋,進(jìn)而影響飛機(jī)的安全性與可靠性[4-6]。因此,緊固孔的疲勞問題一直是人們研究的重點(diǎn)。 

大量研究[7-11]表明,孔結(jié)構(gòu)表面質(zhì)量是影響其疲勞性能的重要因素之一。表面質(zhì)量主要包括表面粗糙度、殘余應(yīng)力和微觀結(jié)構(gòu)等[12-15]。張東初等[14]研究發(fā)現(xiàn),孔的表面粗糙度越大,應(yīng)力集中系數(shù)就越大,疲勞壽命越短。LANDON等[11]研究發(fā)現(xiàn),孔的表面粗糙度在較低范圍內(nèi)變化對(duì)孔的疲勞性能沒有顯著影響,而孔表面硬度對(duì)疲勞壽命有顯著的正影響。除了表面粗糙度,殘余應(yīng)力同樣會(huì)對(duì)孔結(jié)構(gòu)疲勞壽命產(chǎn)生影響。通常,當(dāng)表面存在殘余壓應(yīng)力時(shí),可以獲得較長的疲勞壽命；而當(dāng)表面存在殘余拉應(yīng)力時(shí),則會(huì)縮短疲勞壽命。目前,關(guān)于表面粗糙度、殘余應(yīng)力對(duì)疲勞壽命影響的研究已經(jīng)比較廣泛,但是兩種因素同時(shí)存在對(duì)孔結(jié)構(gòu)疲勞性能的影響并不是單因素影響的簡單疊加,具體影響規(guī)律還有待進(jìn)一步研究。 

為此,作者以航天用7050-T7451鋁合金板為研究對(duì)象,采用電火花加工、銑削、鉆鉸在疲勞試樣中心制備不同表面質(zhì)量緊固孔,通過疲勞試驗(yàn)研究了孔內(nèi)壁表面粗糙度和殘余應(yīng)力對(duì)試樣疲勞壽命的綜合影響,建立了孔表面粗糙度和殘余應(yīng)力與疲勞壽命之間的關(guān)系。 

1.   試樣制備與試驗(yàn)方法

1.1   試樣制備

試驗(yàn)材料為6.35 mm厚7050-T7451鋁合金板,由Kaiser公司生產(chǎn),顯微組織如圖1所示,主要為細(xì)小且大量分布的亞晶晶粒和粗大扁平狀的再結(jié)晶晶粒；化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）為6.27Zn,2.23Mg,2.24Cu,0.01Cr,0.09Zr,0.05Si,0.15Fe；密度為2 730 kg·m−3,彈性模量為72 GPa,泊松比為0.33,屈服強(qiáng)度為441 MPa。采用磨削法將鋁合金板打磨至厚度3 mm,對(duì)表面進(jìn)行拋光以消除加工痕跡。根據(jù)GB/T 3075—2021,采用線切割制取如圖2所示的板狀疲勞試樣。采用BSW-530型電火花切割機(jī)進(jìn)行電火花加工,在GETTEC GDT-T6型加工中心進(jìn)行鉆鉸以及銑削加工,在疲勞試樣中心制備出不同表面粗糙度和殘余應(yīng)力的直徑為2.6 mm的孔。鉆鉸工藝采用直徑2.5 mm鉆頭和直徑2.6 mm鉸刀,刀具轉(zhuǎn)速為150 r·min−1,切削速度分為4,8,12,16,20,40,80 mm·min−1；銑削工藝采用直徑1.5 mm銑刀,采用螺旋銑削,刀具轉(zhuǎn)速為8 000 r·min−1,進(jìn)給速度分別為0.02,0.04 mm·r−1；電火花加工采用銅絲加工,加工電流為0.5 A,切削速度為120 mm·min−1。 

圖  1  7050-T7451鋁合金顯微組織

Figure  1.  Microstructure of 7050-T7451 aluminum alloy

圖  2  疲勞試樣尺寸

Figure  2.  Size of fatigue sample

1.2   試驗(yàn)方法

根據(jù)GB/T 7220—2004《產(chǎn)品幾何量技術(shù)規(guī)范（GPS）表面結(jié)構(gòu) 輪廓法 表面粗糙度 術(shù)語 參數(shù)測量》,采用Alicona IFM G4型表面三維形貌儀測試孔內(nèi)壁表面粗糙度,測試位置為孔壁中心。根據(jù)GB/T 7704—2017《無損檢測 Ｘ射線應(yīng)力測定方法》,采用Proto-iXRD型X射線衍射儀（XRD）測試孔內(nèi)壁殘余應(yīng)力,鉻靶,Kα射線,管電壓為20 kV,電流為4 mA,衍射角為156°,衍射晶面為[222]晶面,測試位置為孔壁中心,測試方向沿孔受拉應(yīng)力方向,測3次取平均值。根據(jù)GB/T 3075—2021《金屬材料 疲勞試驗(yàn) 軸向力控制方法》,采用QBG-100型高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行高周疲勞試驗(yàn),采用應(yīng)力控制,恒定應(yīng)力幅為130 MPa,應(yīng)力比為0.1,加載頻率在80 Hz左右。用無水乙醇超聲清洗疲勞斷口,采用S-3400N型掃描電子顯微鏡（SEM）觀察斷口形貌。 

2.   試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1   表面粗糙度和殘余應(yīng)力

由圖3可見：電火花加工孔內(nèi)壁存在大量的凹坑與凸起,表面質(zhì)量較差,而銑削和鉆鉸試樣孔內(nèi)壁相對(duì)平整均勻。這是因?yàn)殡娀鸹庸儆跓峒庸?加工過程中會(huì)對(duì)孔壁組織產(chǎn)生灼燒,且加工產(chǎn)生的殘留物會(huì)附著在內(nèi)壁[7],而銑削與鉆鉸屬于冷加工。此外,隨著切削速度增加,鉆鉸孔加工條紋的間距、深度和寬度均增大。進(jìn)給速度0.02 mm·r−1下的銑削孔的內(nèi)壁表面平整性介于切削速度為16,80 mm·min−1的鉆鉸孔之間。 

圖  3  不同工藝加工孔內(nèi)壁三維形貌

Figure  3.  Three-dimensional morphology of hole inner wall processed by different process: (a) electrical discharge machining; (b) milling under feed speed of 0.02 mm·r−1 and (c-e) drilling and reaming under cutting speed of 8, 16, 80 mm·min−1

由表1可知：電火花加工孔內(nèi)壁表面粗糙度最大,銑削孔次之（0.6~0.8 μm）,鉆鉸孔最小（0.3~0.6 μm）；隨著切削速度增加,鉆鉸孔表面粗糙度增大；進(jìn)給速度越大,銑削孔表面粗糙度越大。此外,3種工藝加工產(chǎn)生的殘余應(yīng)力均為殘余壓應(yīng)力,這是加工過程中刀具與孔壁發(fā)生擠壓造成的；電火花加工孔內(nèi)壁表面殘余壓應(yīng)力最小,為20 MPa,鉆鉸孔為40~170 MPa,銑削孔為60~90 MPa；隨著切削速度增加,鉆鉸孔殘余壓應(yīng)力增大,這是因?yàn)榈毒吲c孔壁的擠壓效果隨切削速度增加而增強(qiáng)；進(jìn)給速度越大,銑削孔殘余壓應(yīng)力越大。 

2.2   疲勞壽命

孔表面粗糙度的減小有利于降低應(yīng)力集中效應(yīng),延長疲勞壽命；殘余壓應(yīng)力的增大有利于平衡試樣在循環(huán)載荷作用下受到的拉應(yīng)力,延長疲勞壽命。由圖4可見：不同應(yīng)力下,電火花加工試樣疲勞壽命均為最短,這是因?yàn)槠淇變?nèi)壁表面粗糙度最大,殘余壓應(yīng)力最小,表面質(zhì)量最差；進(jìn)給速度0.02 mm·r−1銑削試樣的疲勞壽命和切削速度8 mm·min−1鉆鉸試樣的疲勞壽命相近且最長,切削速度80 mm·min−1鉆鉸試樣的疲勞壽命較前者短,這是因?yàn)樵撛嚇颖砻娲植诙容^大,加工條紋較深,疲勞性能受到影響,而鉆鉸和銑削試樣疲勞壽命相近則是因?yàn)殡m然鉆鉸試樣的表面粗糙度低于銑削試樣,但是其殘余壓應(yīng)力更小,綜合作用下兩者疲勞壽命相對(duì)接近。由表2可知：隨著切削速度減小,鉆鉸試樣的疲勞壽命先延長后縮短,切削速度為16 mm·min−1時(shí)最長,切削速度為80 mm·min−1時(shí)時(shí)最短。 

圖  4  不同工藝加工緊固孔試樣的S-N曲線

Figure  4.  S-N curves of fastener hole samples processed by different process

由圖5可見：切削速度為80 mm·min−1時(shí)的鉆鉸試樣的疲勞裂紋從加工條紋處萌生并擴(kuò)展,這是因?yàn)槠淇變?nèi)壁表面粗糙度高,應(yīng)力集中較大；切削速度為8 mm·min−1的鉆鉸試樣裂紋萌生較晚,于微小加工條紋處萌生并擴(kuò)展,這是因?yàn)槠浔砻娲植诙蕊@著降低,應(yīng)力集中效應(yīng)得到大幅緩解；切削速度為16 mm·min−1的鉆鉸試樣裂紋萌生位置由孔壁區(qū)域向孔角處轉(zhuǎn)移,這是因?yàn)槠浔砻娲植诙染又?應(yīng)力集中程度居中,同時(shí)其殘余壓應(yīng)力較大,有效抑制了裂紋萌生與擴(kuò)展,從而顯著延長了疲勞壽命。 

圖  5  不同切削速度下鉆鉸試樣的疲勞斷口形貌

Figure  5.  Fatigue fracture morphology of drilling and reaming samples under different cutting speed: (a–c) overall and (d–f) crack initiation zone

由圖6可見：鉆鉸試樣的疲勞壽命并不隨著表面粗糙度或者殘余應(yīng)力的變化而單調(diào)變化。當(dāng)孔內(nèi)壁表面粗糙度較小時(shí),殘余壓應(yīng)力增大,使得疲勞壽命有所延長,但隨著表面粗糙度增大,所導(dǎo)致的應(yīng)力集中效應(yīng)對(duì)疲勞壽命的影響占比變大,殘余應(yīng)力的影響占比減小,疲勞壽命開始縮短。在較小的孔表面粗糙度條件下引入較大殘余壓應(yīng)力可以延長疲勞壽命[6],表面粗糙度和殘余應(yīng)力的協(xié)同作用決定了疲勞性能。在考慮孔表面質(zhì)量對(duì)疲勞壽命的影響研究及壽命預(yù)測中,以單一因素關(guān)聯(lián)疲勞壽命無法對(duì)其變化趨勢做出很好的解釋,需要綜合考慮表面粗糙度與殘余應(yīng)力的影響。 

圖  6  不同切削速度下鉆鉸試樣的孔表面粗糙度、殘余壓應(yīng)力和疲勞壽命分布

Figure  6.  Hole surface roughness, residual compressive stress and fatigue life distribution of drilling and reaming samples under different cutting speed

2.3   表面粗糙度和殘余應(yīng)力與疲勞壽命的關(guān)系

拉伸載荷作用下,結(jié)構(gòu)表面應(yīng)力集中的半經(jīng)驗(yàn)公式[16]為 

式中：Kt為應(yīng)力集中系數(shù)；$\mathrm{<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">?</span>}$為缺口間距與深度的比值；Rz為試樣表面微觀不平度十點(diǎn)高度（表面粗糙度的一種評(píng)定參數(shù)）；ρ為缺口底部的曲率半徑。 

假設(shè)缺口形狀為半橢圓形,考慮缺口數(shù)量及間距,對(duì)模型進(jìn)行修改得到的應(yīng)力集中模型[17]為 

式中：${\mathrm{<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">?</span>}}_{{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">?</span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">?</span>}}}$為多缺口試樣表面應(yīng)力集中系數(shù)；d為相鄰兩缺口間距；a為半橢圓形缺口長半徑。 

半橢圓形缺口長半徑與面微觀不平度十點(diǎn)高度相同,相鄰缺口間距通過切削速度與鉸刀轉(zhuǎn)速和棱數(shù)獲得,則由式（2）計(jì)算所得不同切削速度下鉆鉸孔內(nèi)壁表面應(yīng)力集中系數(shù)見表3。 

分析疲勞壽命影響規(guī)律時(shí),通常將試樣所受疲勞載荷與殘余應(yīng)力疊加作為有效應(yīng)力[18]。設(shè)置孔表面質(zhì)量影響系數(shù),即表面粗糙度與殘余應(yīng)力共同作用下的實(shí)際應(yīng)力與孔結(jié)構(gòu)所受最大應(yīng)力之比,用于表征表面質(zhì)量對(duì)疲勞壽命的影響?？妆砻尜|(zhì)量影響系數(shù)計(jì)算公式為 

式中：Z為孔表面質(zhì)量影響系數(shù)；σ0為結(jié)構(gòu)所受到的名義應(yīng)力；Kt0為圓孔附近的應(yīng)力集中系數(shù),取2.6；σr為殘余應(yīng)力。 

由圖7可見,隨著表面質(zhì)量影響系數(shù)增加,疲勞壽命近似線性縮短。表面質(zhì)量影響系數(shù)能夠同時(shí)兼顧表面粗糙度和殘余應(yīng)力的影響,在±2.5倍數(shù)據(jù)分散帶內(nèi)很好地關(guān)聯(lián)疲勞壽命,兩者擬合關(guān)系式如下： 

式中：N為疲勞壽命。 

圖  7  不同工藝加工孔的表面質(zhì)量影響系數(shù)與疲勞壽命關(guān)系

Figure  7.  Relationship between fatigue life and surface quality influence coefficient of holes processed by different process

采用不同工藝加工的緊固孔,其表面質(zhì)量和殘余應(yīng)力勢必存在差異。提出的孔表面質(zhì)量影響系數(shù)可以表征表面粗糙度和殘余應(yīng)力對(duì)飛機(jī)壁板疲勞壽命的綜合影響：影響系數(shù)越大,表明孔表面質(zhì)量越差,疲勞壽命越短。在考慮不同開孔工藝對(duì)飛機(jī)壁板疲勞壽命的影響時(shí)可以起到一定的參考。 

3.   結(jié)論

（1）電火花加工孔的表面粗糙度最大,內(nèi)壁表面殘余壓應(yīng)力最小,表面質(zhì)量最差；銑削孔的表面粗糙度和殘余壓應(yīng)力居中,表面質(zhì)量居中,進(jìn)給速度越大,表面粗糙度和殘余壓應(yīng)力越大；鉆鉸孔的表面粗糙度最小,殘余壓應(yīng)力較大,表面質(zhì)量最好,隨著切削速度增加,表面粗糙度和殘余壓應(yīng)力均增大。 

（2）電火花加工孔試樣的疲勞壽命最短,銑削孔試樣的疲勞壽命居中,鉆鉸孔試樣的疲勞壽命較長,當(dāng)切削速度為16 mm·min−1時(shí)最長?？椎谋砻娲植诙群涂變?nèi)壁殘余應(yīng)力共同影響試樣的疲勞壽命,表面粗糙度較小時(shí),隨著殘余壓應(yīng)力增加,疲勞壽命延長,表面粗糙度增大后,應(yīng)力集中效應(yīng)對(duì)疲勞壽命的影響占比變大,增加殘余壓應(yīng)力,也很難延長疲勞壽命。 

（3）孔表面質(zhì)量影響系數(shù)可以兼顧孔表面粗糙度和殘余應(yīng)力的影響,在±2.5倍數(shù)據(jù)分散帶內(nèi)很好地關(guān)聯(lián)疲勞壽命,隨著孔表面質(zhì)量影響系數(shù)增加,帶孔試樣的疲勞壽命近似線性縮短。 

文章來源——材料與測試網(wǎng)