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2024铝合金因密度小,比强度高等优点,多服役于航空航天,船舶等承受复杂循环载荷作用的领域中,在服役过程中,疲劳损伤断裂是铝合金零件主要的失效方式。如何提高铝合金抵抗复杂循环载荷作用的能力,即提高其疲劳寿命,是本文的研究目标。
绝大多数疲劳破坏都是从材料的表面开始。对材料的表面进行强韧化处理将有助于提高材料的抗疲劳性能。本文分别采用表面机械滚压技术与超声表面滚压技术对退火态2024铝合金表面进行强化处理,制备出表面梯度结构强化试样。通过光学显微镜、超景深显微镜、粗糙度测量仪分析和测量滚压处理2024铝合金微观组织变化、表面形貌、粗糙度。通过显微硬度计、万能试验机、疲劳试验机对滚压强化2024铝合金截面硬度梯度,拉伸性能和疲劳寿命进行表征与测量。研究了滚压处理道次、主轴转速、滚压头加载模式和吃刀量4个参数对2024铝合金表面形貌、微观组织、力学性能和疲劳性能的影响,得到主要结论如下,
(1)滚压道次对材料综合性能影响较大,随着滚压道次的提高,试样表面粗糙度呈现先降低再升高的趋势,当0.1mm吃刀量滚压4至5道次后,试样表面显微硬度因加工硬化趋于饱和。主轴转速对表面机械滚压试样影响较小,在100~600r/min范围,材料表面粗糙度,表面硬度以及拉伸强度等几乎没有变化。使用改进结构的滚压头,实现了应变控制滚压和应力控制滚压。经1~4道次滚压处理后,应变控制模式下制备出综合性能更好的材料,当滚压超过4道次后,应力控制模式下可以制备出综合性能更好的材料。当吃刀量由0.1mm增加至0.2mm后,试样晶粒细化区域与硬度梯度层厚度并没有明显变化,当进给总量一致时,滚压处理试样表面塑性变形程度相当,粗糙度相近,强度与塑性也无明显差异。综合材料组织与力学性能的变化,得到最优工艺参数,主轴转速600r/min、吃刀量为0.1mm、应力控制滚压处理5道次。
(2)利用超声表面滚压处理技术制备了2024铝合金梯度结构强化试样,研究了加工道次对超声滚压处理2024铝合金表面形貌及力学性能的影响,结果表明经过低道次滚压后,试样表面性能随着滚压道次增加而优化,多道次滚压后,试样表面性能下滑严重。最终经过超声滚压2道次后,材料整体性能最优。
(3)通过残余应力测试与轴向拉压疲劳测试发现,相对于普通机械滚压处理,超声滚压处理工艺可以获得更高的残余应力。使用相同的疲劳参数,相对于未处理的原始试样,经过超声滚压处理后的2024铝合金疲劳寿命大幅度提升,最高提升约11倍,疲劳寿命平均值提升约6倍。相比之下,普通机械滚压处理对2024铝合金疲劳寿命提升效果稍弱,提升约2倍。
