2020, Vol. 48
文章信息
- 赵慧生, 陈国清, 盖鹏涛, 李志强, 周文龙, 付雪松
- ZHAO Hui-sheng, CHEN Guo-qing, GAI Peng-tao, LI Zhi-qiang, ZHOU Wen-long, FU Xue-song
- 拉-拉疲劳载荷下钛合金湿喷丸的残余应力松弛及再次喷丸工艺
- Residual stress relaxation and re-shot-peening process of wet shot-peened titanium alloy during tensile fatigue load
- 材料工程, 2020, 48(5): 136-143
- Journal of Materials Engineering, 2020, 48(5): 136-143.
- http://dx.doi.org/10.11868/j.issn.1001-4381.2019.000080
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文章历史
- 收稿日期: 2019-01-23
- 修订日期: 2020-01-11
2. 中国航空制造技术研究院 塑性成形技术航空科技重点实验室, 北京 100024
2. Aeronautical Key Laboratory for Plastic Forming Technologies, AVIC Manufacturing Technology Institute, Beijing 100024, China
喷丸处理(shot-peening, SP)是一种表面强化技术，通过表面弹塑性变形引入晶粒细化[1-4]、位错强化[1, 3]与残余压应力层强化因素[5-7]，是提升金属疲劳性能的有效手段。残余压应力增加疲劳寿命的强化机制主要体现在两方面[8-9]：一是残余压应力层可以将裂纹源从表面“推”至内部区域，导致形成较大的裂纹形核周期；二是残余压缩应力能够延缓疲劳裂纹扩展进程。
残余压应力场作为改善疲劳性能的重要因素，在服役过程中会发生应力松弛现象，应力会重新分配，影响工件的疲劳寿命和服役安全。因此，喷丸残余应力稳定性和影响因素成为该领域国内外的研究重点，为工程结构件设计和寿命管理提供保障。研究发现残余应力的松弛与疲劳载荷状态、疲劳循环周次密切相关。针对循环载荷水平对残余应力松弛速率的影响，国内外开展了大量的研究。James等[10]在长期服役的汽轮机转子叶片截取部分12CrNiMo马氏体钢材料，发现在疲劳载荷为600 MPa时材料的残余应力基本没有变化，而当疲劳载荷达到868 MPa时，残余应力出现松弛。Cheong等[11]发现喷丸处理TC4钛合金在低周疲劳(low cycle fatigue, LCF)过程中残余应力会显著降低。Zhan等[12]研究认为当外加载荷应力超过材料的屈服强度时，残余应力的松弛程度较大，而且在初期阶段应力松弛显著。闫德俊[13]发现残余应力松弛行为与外部的载荷应力比无关，而与峰值载荷相关。此外，国内外针对载荷循环周次对残余应力松弛的影响也展开了研究。Torres等[14]对AISI 4340钢进行旋转弯曲疲劳实验发现外加载荷为1130 MPa时，残余应力在前1000循环周次内松弛显著，循环到10000周次之后残余应力保持稳定。Boyce等[15]发现TC4钛合金的残余应力在首个载荷循环周次内松弛显著。Xie等[16]发现喷丸使TC4合金残余应力值的衰减与循环周次成对数关系。目前残余应力松弛研究大多都集中在弯曲或旋转疲劳实验，对于拉-拉疲劳状态的应力松弛研究较少，而发动机叶片在实际服役过程中存在拉-拉疲劳状态。另外，目前残余应力松弛研究大都是关于表面残余应力值的松弛，实际上疲劳过程是多维度的动态过程，残余应力从表面到内部的松弛规律并不相同，仅从表面残余应力值的变化并不能全面地反映残余应力松弛的状况。
针对残余应力松弛现象，通过再次喷丸工艺(re-shot-peening, RSP)能恢复被松弛的残余应力并能达到延长结构件的疲劳寿命的目的。Majzoobi等[17]通过实验证明RSP会诱导新的残余压应力场(compressive residual stress field, CRSF)的形成，并将微动疲劳寿命提高了600%。Lee等[18]发现RSP会使表面新的残余应力值恢复到初始残余应力水平。王欣等[19]通过选择合适的RSP周期将TC18钛合金的旋转弯曲疲劳寿命提高了75%。
本工作研究了在拉-拉载荷条件下TC4钛合金湿喷丸处理引入的整体CRSF(表面至内部)的松弛规律，系统地分析载荷水平(高、中、低3个水平)与循环周次对残余压应力松弛过程的影响。同时进行了RSP工艺研究，分析RSP周期对TC4钛合金疲劳寿命的影响。
1 实验材料与方法实验材料为退火轧制态板状TC4钛合金，其化学成分见表 1。合金屈服强度σs为900 MPa，抗拉强度σb为995 MPa。实验设备为JY-120WB液体喷丸机，磨液为水和陶瓷弹丸，质量比为10 :1。实验采用B60型陶瓷弹丸，直径为125~250 μm，其化学成分如表 2所示。湿喷丸主要参数为：喷丸强度0.4 mm·N，喷丸时间30 s，覆盖率200%。根据GB/T 3075-1982标准的规定，疲劳试样的尺寸如图 1所示。
| Al | V | Fe | Si | Ti |
| 6.396 | 4.236 | 0.064 | 0.057 | Bal |
| ZrO2 | SiO2 | MgO2 | Al2O3 |
| 67 | 30 | 2 | 1 |
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图 1 疲劳试样尺寸图 Fig. 1 Dimensional drawing of fatigue specimen |
采用SDS-100电液伺服疲劳试验机测试疲劳性能，疲劳循环峰值分别为550 MPa(0.61σy)，650 MPa(0.72σy)和750 MPa(0.83σy)，应力比0.1，频率为5~15 Hz，正弦波。3种载荷条件下，相应的TC4钛合金疲劳寿命分别为3×106, 1.98×105, 1.04×105周次。本实验通过测量一定循环周期的不同试样表层CRSF实现，并分析循环周期对CRSF松弛规律的影响。CRSF测试方法采用X射线衍射结合化学腐蚀的方法，在固定的循环周期进行深度方向的残余应力的测量。通过化学腐蚀的方法来测定残余应力随深度变化规律，腐蚀液为2%HF+4%HNO3+94%H2O(体积分数)。采用EMPYREAN X射线衍射仪检测残余应力，管电压为40 kV，管电流为40 mA，Cu靶辐射，狭缝为1/2和1，参考衍射面为(213)，扫描范围为138°~143°，残余应力测定方向为试样轧制方向，残余应力测量的偏差为±10%。
本实验研究了不同的RSP周期对疲劳性能的影响，表 3为不同疲劳载荷下RSP周期的选择。疲劳载荷峰值分别为650 MPa(0.72σy)和750 MPa(0.83σy)。试样加载一定疲劳周次后(25%, 50%或75%的初始疲劳寿命)，暂停疲劳测试，进行再次湿喷丸处理。其中喷丸强度为0.4 mm·N，覆盖率为100%，之后继续疲劳加载直至疲劳断裂。采用ZYGO(NV5000 5022S)表面轮廓仪表征试样表面形貌。采用Supra55-32760扫描电子显微镜进行断口形貌观察。
| Cycle load/ MPa |
Team No | Percentage of original fatigue life (SP life) before RSP/% |
| 650 | SP-1 | 0 |
| RSP1 | 25 | |
| RSP2 | 50 | |
| RSP3 | 75 | |
| 750 | SP-1 | 0 |
| RSP1 | 25 | |
| RSP2 | 50 | |
| RSP3 | 75 |
最终疲劳试样的寿命计算方法应为：
|
(1) |
式中：N为总寿命；Ni为RSP前的预疲劳周期；Nf为再次补喷之后的疲劳寿命。
2 结果与分析 2.1 疲劳载荷水平对残余应力松弛的影响图 2为不同疲劳条件下TC4钛合金在不同循环周次后CRSF沿深度分布图。CRSF应力松弛特征如表 4所示。图 2(a)所示循环载荷峰值为550 MPa(0.61σy)，疲劳寿命分别为0, 5×104, 4×105, 3×106周次。初始喷丸状态，TC4钛合金的CRSF特征为：最大残余应力为－911.3 MPa，位于距表面20~30 μm之间的次表层，表面残余应力为－746.4 MPa，残余压应力场深度约为150 μm。随着循环周次的增加，近表面残余应力发生大幅度松弛，靠近基体残余应力松弛幅度小。对于表面残余压应力，循环5×104周次时减至－452.2 MPa，降低了近300 MPa；当循环3×106周次时，表面应力继续降低并减小到－397.7 MPa。对于最大残余应力，循环5×104周次时减至－740.3 MPa，降低了150 MPa左右；当循环3×106周次时，最大残余应力减小到－720.6 MPa，应力值基本没有变化，保持稳定。在550 MPa疲劳载荷下CRSF可以分为3个特征松弛区：(1)0~30 μm近表层区残余应力松弛最严重，随循环周次持续松弛；(2)30~80 μm亚表层区残余应力半稳定，经历了一定的初始循环之后应力维持不变。(3)>80 μm靠近基体区残余应力稳定，应力松弛程度较小。表面残余应力松弛显著有以下原因：首先，自由表面材料的约束少，更容易发生弹塑性变形；其次，喷丸表面较粗糙，存在应力集中现象，如图 3所示，导致近表层材料承受的载荷应力水平更高；最后，喷丸变形层具有组织应变梯度特征，材料表面应变最大、畸变储能高，疲劳循环过程中容易发生动态回复，导致残余应力降低。
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图 2 拉-拉疲劳测试时不同最大载荷在不同循环周次的TC4合金的CRSF分布 (a)最大载荷550 MPa，循环0, 5×104, 4×105, 3×106周次；(b)最大载荷650 MPa，循环0, 5×104, 2×105周次；(c)最大载荷750 MPa，循环0, 2×104, 5×104, 105周次 Fig. 2 Distribution of CRSF of TC4 alloy under different maximum loads and different cycles in tensile fatigue tests (a)maximum load 550 MPa, 0, 5×104, 4×105, 3×106 cycles; (b)maximum load 650 MPa, 0, 5×104, 2×105 cycles; (c)maximum load 750 MPa, 0, 2×104, 5×104, 105 cycles |
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图 3 喷丸表面粗糙化缺口区域的应力集中效应 Fig. 3 Stress concentration effects in rough notches area of shot peening surface |
| Maximum load/MPa |
Nf/cycle | Maximum residual stress/MPa |
Surface residual stress/MPa |
| 550 | 0 | －911.3 | －746.4 |
| 5×104 | －740.3 | －452.2 | |
| 3×106 | －720.6 | －397.7 | |
| 650 | 0 | －911.3 | －746.4 |
| 2×105 | －555.1 | －376.1 | |
| 750 | 0 | －911.3 | －746.4 |
| 105 | －569.8 | －412.4 |
图 2(b)所示疲劳载荷峰值为650 MPa时，不同循环周次后TC4钛合金喷丸CRSF沿深度分布图。可以看出，松弛主要发生在近表层区，这与最大疲劳载荷为550 MPa时的应力松弛规律相同，但是疲劳载荷为650 MPa时残余应力的松弛范围约在0~80 μm，增加约166%，疲劳载荷峰值为550 MPa，循环5×104~2×105周次最大残余应力值均稳定在－740 MPa左右。而疲劳载荷峰值为650 MPa时，最大残余应力随循环周次不断松弛，循环5×104周次时降至－730.4 MPa、循环2×105周次时减小至－555.1 MPa，最终残余应力松弛程度较载荷峰值为550 MPa时降低了22.9%。
图 2(c)所示疲劳载荷峰值为750 MPa时，不同循环周次后TC4钛合金喷丸CRSF沿深度分布图。其松弛规律与疲劳载荷峰值为650 MPa时基本相同，CRSF持续松弛，而且松弛速率更快。在循环105周次后，最大残余应力降低至－569.8 MPa。在疲劳载荷峰值为650 MPa和750 MPa条件下，整个循环周次(直至断裂)CRSF都在持续松弛，而疲劳载荷为550 MPa时(见图 2(a))亚表层区(30~80 μm)残余应力呈现半稳定特征，即经历一定初始循环后残余应力维持不变。在施加循环疲劳载荷时，材料的个别晶粒经过多周次的往复运动、增殖和堆积，导致相邻晶粒发生位错运动，从而发生屈服现象[20]。屈服现象是导致残余应力松弛的重要原因。而随着疲劳载荷水平的增加，材料产生屈服现象所需的循环周次就越少，且高载荷下更容易触发位错运动，残余应力松弛就会更加明显。
图 4为在不同循环载荷下最大残余应力随疲劳循环周期变化的松弛曲线。由图 4可见，高周疲劳(high cycle fatigue, HCF)和LCF残余应力松弛有着明显的区别：在HCF过程中，最大残余应力的衰减主要集中在循环前期，到后期基本保持不变；而在LCF过程中最大残余应力在整个循环持续发生衰减。此外，疲劳载荷峰值越高，残余应力松弛程度越大。
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图 4 不同疲劳载荷下最大残余应力随周期变化 Fig. 4 Maximum residual stress changes with cycles under different fatigue loads |
TC4合金CRSF的松弛可归因于两方面的原因：首先，喷丸引入的表层材料加工硬化会在疲劳过程中又发生循环软化。Cheong等[11]发现加工硬化程度较高的喷丸处理TC4合金残余应力在LCF过程中会发生明显的松弛，而加工硬化程度较低的低塑性抛光所致残余应力并没有变化。经过喷丸之后的TC4合金表面发生加工硬化现象，其微观表现为大量的位错塞积群。在随后的循环加载过程中，合金位错密度降低，发生动态回复效应，在宏观上表现为循环软化的现象，从而导致应力松弛。其次，载荷峰值的大小也是残余应力松弛的影响因素。闫德俊[13]研究焊接残余应力的松弛行为，发现残余应力的松弛与载荷峰值密切相关，峰值越大残余应力松弛就越严重。本实验采用的循环载荷峰值最大为750 MPa(0.83σy)，与材料的屈服强度非常接近，因此高循环载荷峰值也是残余应力松弛的主要原因。
2.2 RSP对疲劳性能的影响为了更加深入了解残余应力松弛对疲劳寿命的影响，本工作对TC4钛合金试样不同循环周期进行RSP处理。采用湿喷丸处理，喷丸强度为0.4 mm·N，覆盖率为100%。图 5所示为喷丸处理后的表面形貌。RSP处理之后表面波峰高度和波谷深度较初始喷丸时明显增加，单峰的平均间距同样增加，曲率明显尖锐化。取多次测量的粗糙度平均值来表征表面状态，结果如图 6所示。喷丸较未喷丸表面粗糙度增加了约500%，RSP处理后粗糙度较初始喷丸时增加了约18.6%。粗糙度的增加表明表面完整性遭到更加严重的破坏，对于TC4钛合金的疲劳有着消极的影响。
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图 5 喷丸处理后的表面形貌及轮廓线 (a), (b), (c)首次喷丸；(d), (e), (f)再次喷丸 Fig. 5 Surface morphologies and profiles after SP (a), (b), (c)first shot-peening; (d), (e), (f)re-shot-peening |
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图 6 不同喷丸状态下TC4钛合金试样的表面粗糙度 Fig. 6 Surface roughness of TC4 titanium alloy samples under different SP conditions |
图 7(a)为RSP试样在疲劳载荷峰值为650 MPa时的疲劳寿命。在该载荷下初始喷丸处理TC4合金试样疲劳寿命约为1.98×105周次。而经过RSP后疲劳寿命发生变化，且RSP工艺周期对疲劳寿命具有显著的影响。预循环次数为5×104周次(25%的初始喷丸疲劳寿命)时RSP强化效果最好，试样总寿命达到了3.28×105周次，较初始喷丸试样的疲劳寿命提高了65.7%。预循环次数为105周次(50%的初始喷丸疲劳寿命)时RSP试样疲劳总寿命达到了2.69×105周次，较首次喷丸疲劳寿命提高了35.9%。而预循环次数为1.5×105周次(75%的初始喷丸疲劳寿命)时RSP试样总寿命为2.03×105周次，强化没有明显的效果，疲劳寿命仅仅提高了2.5%。
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图 7 不同疲劳载荷的TC4合金在不同阶段RSP处理的疲劳寿命 (a)最大载荷为650 MPa；(b)最大载荷为750 MPa Fig. 7 Fatigue life of TC4 alloy under different fatigue loads after RSP at different stages (a)maximum load 650 MPa; (b)maximum load 750 MPa |
图 7(b)为湿喷丸试样在循环载荷峰值为750 MPa时的疲劳寿命。初始喷丸处理后TC4钛合金疲劳寿命约为1.04×105周次。预循环次数为2.5×104周次(25%的初始疲劳寿命)时RSP强化效果最好，疲劳总寿命为1.27×105周次，较原始喷丸的寿命提高了22.1%。预循环次数为5×104周次(50%的初始疲劳寿命)时RSP强化效果仍有提升，疲劳总寿命为1.14×105周次，提高了9.6%。而预循环次数为7.5×104周次时(75%的初始疲劳寿命)RSP强化效果最差，疲劳总寿命仅为0.96×105周次，较原始喷丸的寿命下降了7.6%。
从实验结果可以发现：RSP的周期对于试样疲劳寿命的影响至关重要。在25%初始喷丸疲劳寿命进行RSP处理的试样其总疲劳寿命最长，而在75%初始疲劳寿命进行RSP处理，强化效果并不明显，试样总疲劳寿命甚至会下降。RSP强化通过恢复疲劳过程中已经松弛的残余压缩应力，从而达到提高疲劳寿命的效果。但是疲劳寿命的提高主要依赖于RSP周期的选择。Majzoobi等[17]研究表明在早期阶段进行RSP处理会明显增加疲劳寿命，Jiang等[21]也发现如果在超过75%的寿命阶段进行再次补喷则可能会降低总疲劳寿命。从疲劳裂纹萌生扩展的角度来解释：在循环前期疲劳裂纹刚开始萌生和扩展，残余应力发生明显松弛，此时进行再喷丸处理对于恢复CRSF和前期微裂纹的有效闭合有着明显的效果。在寿命后期进行RSP处理，裂纹已经从表层扩展到内部喷丸未影响区，裂纹尺寸大，此时进行RSP处理将不能对裂纹的扩展速率起到抑制作用。因此，选择合适的RSP周期对于疲劳试样的寿命有着很大的影响。并且疲劳循环载荷峰值越小，RSP工艺对于TC4钛合金疲劳寿命提高越有利。
通过观察试样疲劳断口形貌来分析RSP处理对裂纹萌生行为的影响。图 8(a), (b)分别为载荷峰值650 MPa时初始喷丸和在50%寿命RSP处理TC4钛合金的疲劳断口形貌，而图 8(c), (d)分别为载荷峰值750 MPa时初始喷丸和在25%寿命RSP处理TC4钛合金的疲劳断口形貌。所有喷丸处理的TC4钛合金的疲劳断口形貌都有相似之处：在棱角边处的飞边都发现了疲劳裂纹源。飞边是由于高速喷丸导致表层金属大量、快速地流动并挤压至拐角处形成的。由于裂纹大都萌生于飞边，因此飞边是一种疲劳缺陷，是疲劳的薄弱区。从飞边处萌生的疲劳裂纹可以认为是疲劳主裂纹。而RSP处理后在表面非棱角处的缺口根部萌生新的疲劳裂纹，出现多裂纹源现象，形成大量的次疲劳裂纹源。这是由于RSP处理导致表面粗糙度增加，表面微观更加凹凸不平，在疲劳加载过程中应力集中程度加剧而形成次疲劳裂纹源。在图 8(b)中箭头标示出多处表面凹坑底部形成的疲劳裂纹源，由棱角飞边处的主疲劳裂纹和表面凹坑处的次疲劳裂纹交汇形成了RSP处理之后的最终疲劳断面。
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图 8 载荷峰值650 MPa和750 MPa时TC4钛合金试样的疲劳断口形貌 (a)650 MPa-SP; (b)650 MPa-RSP2 (50%寿命)；(c)750 MPa-SP; (d)750 MPa-RSP1(25%寿命) Fig. 8 Fatigue fracture morphologies of TC4 titanium alloy samples with peak loads of 650 MPa and 750 MPa (a)650 MPa-SP; (b)650 MPa-RSP2 (50% life); (c)750 MPa-SP; (d)750 MPa-RSP1 (25% life) |
(1) 疲劳循环载荷对湿喷丸TC4钛合金残余应力松弛具有重要的影响。在循环载荷峰值为550 MPa时，残余应力松弛主要发生在近表层，亚表层区前期松弛后期稳定，靠近基体区始终稳定。当循环载荷峰值为650 MPa和750 MPa时，残余应力松弛主要发生在近、亚表层区，松弛速率加快，松弛程度和范围更大，且持续松弛。
(2) RSP周期的选择对疲劳寿命影响至关重要。疲劳前期进行RSP处理可以提高疲劳寿命，但是在后期进行处理可能会降低总疲劳寿命。载荷峰值为650 MPa，预疲劳周期为25%初始喷丸疲劳寿命时效果最佳，TC4钛合金总疲劳寿命提高了65.7%。此外，疲劳载荷越低RSP的强化效果越好。
(3) 喷丸处理容易在试样棱边处形成飞边，疲劳裂纹通常会在飞边处萌生。RSP处理会造成表面粗糙度增加，导致表面应力集中程度加剧，出现多处裂纹源。
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