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高强度铝合金缺口喷丸加工的疲劳特性：使用临界距离法的实验和预测文章信息 :文章历史 ：收到 2009 年 8 月 18 日修改稿 1 月 20 日收到 2010 年接受 2010 年 2 月 24 日可 2010 年 3 月 6 日关键词：喷丸处理缺口疲劳高强度铝合金临界距离理论残余应力摘要：本论文旨在探讨不同喷丸处理对携带不同类型的缺口铝 7075 -T651WohlerS-Ncurves 是通过在不同的实验条件通过反向弯曲得出实验结论样品疲劳的影响通过改变不同的疲劳强度发现，这取决于喷丸强度，而且， 尤其是，对于不同的切口的几何形状的处理不同的 效果： 接收到的更重要的缺口较大通过在降低疲劳缺口敏感性方面的喷丸硬化处理有益效果和增量的缺口疲劳强度 疲劳改善相对于未进行喷丸状况和疲劳的喷丸强度的影响讨论了处理残余应力的效果 在装载过程中残余应力再分配的程度是通过在普通试样的量调查 x射线衍射 (XRD) ,根据应用负载发现了表面压力的进化可以到一个稳定值。

通过该喷丸处理， 并且利用 X 射线衍射，利用数字技术的手段对缺口试样产生的残余应力场进行了评价，此外，疲劳载荷的应用程序已经为蓝本为了研究在凹口附近的残余应力的松弛稳定的残余应力值已被并入到多轴疲劳准则来预测疲劳性 承载应力集中的压缩残余应力场的耐疲劳性1 .介绍铝合金看起来对飞机和汽车行业非常有吸引力，最后， 一个临界距离理论方法已被用来预测不断寻求能源的改进来提高运输车辆的效率，因为他们的特有的高静态强度通常 , 高静态力学性能诱导铝合金是通过弥散硬化和老龄化热处理的方案来解决的然而， 在用更常见的高对比度金属材料， 比如钢材， 就静态机械性能来看，他们表现出相对较差疲劳性能在高周疲劳机制（ > 5 百万周期）疲劳续航力1约为拉伸强度 [1] 的 此外，加强铝合金高疲劳缺口承受的恶化硬化的处理 [2] 更为敏感4因此，在应力集中的存在下，像孔，圆角和凹槽，这些始终存在于机械设备中的零件，特别不利于这些合金的疲劳响应，从而限制了在具有复杂形状并具有高应力机械零件中的使用。

由于多数疲劳裂纹起始于零件的表面上， 零件表面的抵抗裂纹萌生和早期裂纹扩展的条件 是一个有吸引力的提高疲劳性能的方法由于这个原因，铝合金经常受到表面处理例如，喷丸处理一直受到特别的关注，在普通钢的疲劳寿命和轻合金 [ 3-7 ] ，允许有明显的增量在文献中， 这种改进的主要部分已经几乎一致归因于在应力在表面区域引入残余应力 同时负责延迟疲劳裂纹的萌生和较低的小裂纹扩展速率 [ 3,8-10 ] 进一步的效果，即使大部分仍然有争议，由于工作硬化，其中，一方面，负责增强抗裂纹萌生的能力，在另一边，导致较低的裂纹扩展的阻力减小，应为材料脆化 [ 9 ]一些研究表明残余压应力， 比如从喷丸， 表面轧制和表面硬化表面处理中产生的 显著地提高工程材料的缺口疲劳性 [ 11? 13] 然而，这些调查研究并没有考虑到铝合金，主要集中存在于传统的钢中此外，仅仅在现有的文献 [11? 15]的数据似乎并没有以提供残余应力对缺口疲劳强度的影响一个令人信服的解释。

附近， 类似于外部载荷应力集中效应然而，事实上， 已经表明， 残余应力场将集中在缺口由于测量尖锐缺口附近残余应力的的难度，很少有实验数据可在文献中查到此外 , 由压缩产生有益影响的残余应力强烈依赖于稳定的使用寿命 [14] 通过缺口产生的集聚效应和残余应力场可能会导致残余应力的松弛， 由于实现了材料的塑性流动的原因 [15] ，从而通过残余压应力的疲劳响应改善切口的意图被挫败了最后， 喷丸处理可是否以充分覆盖小的几何细节仍然是目前还不清楚的问题 所有这些原因，导致估计所述槽口耐疲劳的难度， 限制了喷丸处理的应用， 以使承受应力集中的铝合金机械部件的应用有所限制笔者最近研究了三种类型的拍摄效果在反向弯曲的条件下进行喷丸处理的铝 7075-T651 合金的纯疲劳反应 [16] 在目前的工作中，按综合基准已经过测试已知的实验条件下由相同的 Al 合金的缺口样品和受到相同的喷丸处理，以收集实验数据在文献 [16] 它表明： （一）喷丸显著提高了 Al 合金纯疲劳响应 （二） 本残余应力场不显示与关于在初始条件明显变化的 500 万次疲劳忍耐压力 （三） 有些松弛发生在更短的疲劳寿命， 更显着的较高的压力水平。

普通疲劳反应是直接与表面的残余应力， 使用锡尼什标准纳入稳定的残余应力场的平均应力并且可以成功地预测相关问题 然而， 人们发现， 在更强烈的喷丸条件下的高周疲劳行为而是由初始塑性变形的条件决定的， 作为压缩之间的叠加的效果和所施加的反向弯曲的压峰的残余应力，为了保存剩余的稳定应力场文献 [17] 进行了数值研究表明 [16] 观察到的残余应力松弛实际上是由于塑性流动，而不是周期性的放松术语ANeuber 缺口特征长度A， B中周疲劳材料常数确定特征长度f在疲劳周期的一个给定数目的普通的疲劳强度f-1f0kK1cLL0LsKfNfP,mqrR在疲劳周期的一个给定数目的交替疲劳强度在疲劳周期的一个给定数目的脉动纯疲劳强度Wohler 曲线的在双对数下的斜率平面应变断裂韧性材料特征长度在高循环疲劳机制的材料的特征长度静电材料特征长度缺口疲劳因子周期失败的数目静水压力疲劳缺口敏感性缺口根圆角半径应力比STx,y,za,b^f^Kthrp50r0p50r1,2,3r5x10^6rareqrY0.2rRSrVMrUTS线性有效应力疲劳效果的散射集中在缺口尖端，其中 y 所在的平分线笛卡尔参考系统代表 Sines 标准方程的参数疲劳强度范围门槛应力强度因子疲劳裂纹扩展范围疲劳特性与 50％的失败概率（相应的 10％和 90 ％）W?hler 曲线 y 轴截距在双对数下失效为 50%的概率应力张量的主要组成部分疲劳特性对应于 5x10^6应用于弯曲应力幅值等效应力0.2 ％屈服应力残余应力Von Mises 等效应力极限拉伸强度3这些结果已经解决了目前的第二部分的工作， 也就是专门预测经过喷丸处理切口样品的疲劳寿命。

虽然纯疲劳可以使用等效应力来计算成功， 该函数是在试样的表面上的外部和残余应力场得出的， 这样过于保守的做法必然是针对缺口部分 在过去， 许多不同的方法已经被提出， 考虑到与这种现象挂钩的材料的疲劳缺口敏感性 或许， 其中最容易采纳的方法是基于临界距离的理论，上个世纪，原来是通过 Neuber[18] 和 Petterson 的[19] 中的中间开发，在过去的几十年，是许多研究者（例如见 [20 ? 23] ）的进一步研究在本文，临界距离的理论方法用于预测的中期喷丸样品拍摄的高周疲劳行为 用于此目的， 在[17] 中描述的数值方法的基础上， 初始和稳定的残余应力域已经确定， 合并在一个等效应力， 基于多轴疲劳已经平均超过标准材料的特征长度2. 材料和实验程序该实验已对铝 7075-T651 合金进行了操作， 广泛用于航空航天应用， 随附在 4 毫米厚的热轧板的形式。

散装材料特性已经确定在五个标准的单调拉伸试验进行纵向取向 . 结果，总结于表 1, 显示出了屈服强度高于材料（ 18％的总延伸率） 表 1：10（初始应变速率 10 s 1 ）500 兆帕，再加上良好的延展性E(GPa) Y 0.2 (MPa ) UTS (MPa) F ( MPa) T.E.(%) R.A.(%) 73( 1) 515( 5) 565( 5) 760( 10) 18( 2) 24( 2)在几何形状为棱柱的试件进行了疲劳特性实验，根据标准 ISO3928，示于图 1在如图所描述样品中的圆角半径 ， 图 1a 是大到足以使任何缺口疲劳效应都可以忽略不计 在下文中他们将被视为 '' 光滑“或 '' 纯”样本。

该缺口试样，其几何形状被示于图 1b，通过电火花加工制 (EDM)特别注重 2 边 V 型缺口的正确加工（ 90 度的孔径角） ，其中显著影响着应力分布缺口根部圆角半径 被设置为 2 毫米（ '' 钝“缺口试样）和 0.5 毫米（ '' 尖”缺口样品），因此，理论应力集中系数分布的范围为 1.53 到 2.33三种控制的喷丸硬化处理已经考虑在内，其工艺参数列于表 2 （详情可参见参考文献[16] ）每个处理一直使用陶瓷珠进行，这允许更高的疲劳性能与钢丸 [24] 比较了名为CE-B120 的处理采用了小型的陶瓷珠，导致一个温柔肤浅的效果，与较大尺。