AA2024是超硬鋁合金，具有高比強(qiáng)度和比剛度、 較好的耐腐蝕性和較高的韌性等優(yōu)點(diǎn)，是航空航天、兵 器、交通運(yùn)輸?shù)刃袠I(yè)最重要的結(jié)構(gòu)材料之一。實(shí)際 使用中的AA2024零部件絕大部分承受交變載荷的作?用， 表面 層承受 的交 變應(yīng)力 最大且 易受 外界環(huán) 境的 影?響，表面層往往就成為了裂紋的棲息之地。為了防止 或減少表面層裂紋的萌生和擴(kuò)展，工程上往往采用表 面改性技術(shù)來改善材料的使用性能。

超聲波噴丸是近年來提出的一種新型表面改性方 法，它利用大功率的超聲波推動(dòng)沖擊工具以每秒二萬次以上的頻率沖擊金屬物體表面，由于超聲波的高頻、高效和聚焦下的大能量，使金屬表層產(chǎn)生劇烈的塑性 變形。同時(shí)在噴丸區(qū)域呈現(xiàn)高密度位錯(cuò)和有益的 殘余壓應(yīng)力分布，從而能夠顯著提高零部件的強(qiáng)度及 疲勞壽命。超聲波噴丸作為一種節(jié)能、綠色、先進(jìn)的新 型技術(shù)，在航空航天、汽車等領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用。

覆蓋率是噴丸的重要參數(shù)。國(guó)外研究學(xué)者已經(jīng)非 常重視 覆蓋率對(duì)疲勞 性能的影響， 相關(guān)國(guó)防報(bào)告?報(bào)道了噴丸覆蓋率對(duì)4340鋼常溫抗拉疲勞性能影響。 然而在我國(guó)，目前還沒有文獻(xiàn)專門對(duì)超聲波噴丸覆蓋 率進(jìn)行深入的研究;在工程應(yīng)用中，雖然已經(jīng)肯定了100%覆蓋率對(duì)噴丸效果的影響，但是覆蓋率高于100%時(shí)的噴丸效果卻還沒有定性的結(jié)論。實(shí)際上，不 同的覆蓋率噴丸對(duì)表面完整性及疲勞壽命有很大影 響。因此，很有必要開展超聲波噴丸覆蓋率對(duì)鋁合金 高周疲勞性能的影響研究。以AA2024為研究對(duì)象， 開展了超聲波噴丸對(duì)于鋁合金表面完整性和疲勞壽命?影響的 研究，分析 了覆蓋率( 1 00%、200% 、300%)?對(duì)?AA20 24高周 疲勞性能 的影響 。

1試驗(yàn)條件

1.1試 驗(yàn) 設(shè) 備?

采用由南京航空航天大學(xué)自主研制的超聲波噴丸裝置(?如圖l?所示)?進(jìn)行超聲波噴丸試驗(yàn)采用?TRl 01袖珍式表面粗糙度儀測(cè)定超聲波噴丸后試樣的 表 面 粗 糙 度?R?。 值 ; 采 用?MV C?一?1 0 0 0 A 1?型 顯 微 硬 度 計(jì) 對(duì) 超聲波噴丸后沿深度方向的顯微硬度進(jìn)行測(cè)量，載荷?選擇200?g，載荷時(shí)間為15?s;采用MSF一3M型x射線 衍射殘余應(yīng)力測(cè)試儀，使用交相關(guān)定峰法進(jìn)行了殘余 應(yīng)力場(chǎng)測(cè)試和衍射峰半高寬分析;采用PLG一100C型 高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)，測(cè)量未噴丸試樣和不同超聲波噴丸 覆蓋率試樣的橫幅軸向應(yīng)力拉一拉疲勞性能。

1.2試 驗(yàn)材料

試 驗(yàn) 材 料 采 用 A A2 0 2 4 。 室 溫 2 0 °C 下 的 力 學(xué) 性 能如下:抗拉強(qiáng)度吼為470 MPa，屈服強(qiáng)度17″n:為325 MPa，伸長(zhǎng)率6為10%，顯微硬度為170 HV，彈性模量 E為 68 GPa，密度p為2 770 kg/m3。熱處理方式為固 溶處理加自然時(shí)效處理。

1.?3試驗(yàn)方法?

試驗(yàn)前對(duì)AA2024試樣表面進(jìn)行機(jī)械拋光處理，以獲得光潔平整的表面，然后采用超聲波噴丸裝置對(duì) 試樣進(jìn)行雙面噴丸以保持試樣的平整。超聲波噴丸采 用3種不同的規(guī)范，分別記為A、B和c，其工藝參數(shù)如表1所示。

2試驗(yàn)結(jié)果

2.1表面粗糙度

超聲波噴丸后的表面粗糙度分布如圖2所示。從圖中 可以看 出，超 聲波噴 丸處 理后試 樣的表 面粗糙 度值明顯增大，最大接近2um，粗糙度值隨著噴丸覆蓋 率的增大而略有減小。研究表明，粗糙的表面會(huì)引起 明顯的載荷應(yīng)力集中，影響到材料的疲勞壽命。因 此，可以通過提高覆蓋率來減小試樣的表面粗糙度值。

2?.?2顯 微 硬 度?

顯微硬度沿層深分布如圖3所示。從圖中可以看出， 超聲波 噴丸后試 樣表面 及沿層 深的顯微 硬度得 到?明顯提高，且隨覆蓋率的增大而提高，未噴丸試樣沿層深的顯微硬度值基本趨于一致。同一覆蓋率下，試樣 顯微硬度隨深度的增加而下降，之后趨于平緩。

2.3殘余應(yīng)力場(chǎng)

超聲波噴丸產(chǎn)生的殘余應(yīng)力大小及殘余應(yīng)力的分布對(duì)于疲勞性能具有較大的影響。超聲波噴丸后的殘 余應(yīng)力場(chǎng)如圖4所示。隨著覆蓋率的增加，表面殘余 壓應(yīng)力和最大殘余壓應(yīng)力均有所增大。經(jīng)過不同表面 覆蓋率噴丸后，殘余壓應(yīng)力在深度120斗m左右達(dá)到 最大值。噴丸覆蓋率達(dá)到300%時(shí)，最大殘余壓應(yīng)力?達(dá)到一293.5 MPa?，相比 之下， 覆蓋 率為1 00%和?200%?時(shí)，最大殘余壓應(yīng)力分別為一252.3?MPa?和一2 81.2?MPa?。另一方面，噴丸覆蓋率達(dá)到100%時(shí)，殘余壓應(yīng)?力場(chǎng)深度僅為300?I.zm;覆蓋率達(dá)到200%和300%時(shí)， 殘余 壓應(yīng) 力場(chǎng) 深度 在35 0—40 0斗m之間 。

2.4半寬高

x射線衍射 峰半高寬( FWHM)?指的 是衍射峰 最大強(qiáng)度1/2處所占的角度范圍。在儀器固定的情況下， 半高寬反映了材料冷作硬化程度、微觀殘余應(yīng)力的大 小以及晶體內(nèi)部位錯(cuò)密度的高低?。

圖5是經(jīng)過不同覆蓋率噴丸后，半高寬隨深度的變化趨勢(shì)。與未噴丸試樣相比，超聲波噴丸后試樣的 半高寬顯著增大，表面半高寬值隨覆蓋率的增大而增 大，半高寬值隨著深度增加而減小。當(dāng)深度超過125?斗m時(shí)，半 高寬值基本不變， 與殘余壓應(yīng)力場(chǎng)深 度( 300 I xm左右)?相比，超聲波噴丸對(duì)半高寬影響層深度要小 很多。對(duì)于超聲波噴丸，半高寬變化的主要原因是由于冷作硬化程度上升以及位錯(cuò)增殖。半高寬數(shù)值的增 大是冷作硬化的體現(xiàn)，隨著覆蓋率的增加，循環(huán)塑性形 變次數(shù)增加，冷作硬化加劇。

2.5高周 疲勞壽命

覆蓋率對(duì)疲勞壽命的影響如圖6所示。經(jīng)過不同 覆蓋率的超聲波噴丸之后，AA2024的高周疲勞壽命 明顯增加。未噴丸試樣的疲勞壽命在8X105次左右， 而進(jìn)行100%、200%和300%覆蓋率超聲波噴丸后，?AA2024高周疲勞壽命分別達(dá)到1.5X106、3.2×106和?4.3x 106次，其中 ，以300% 覆蓋率噴 丸后壽命增 益最 為明顯，比未 噴丸的原始試樣提高了?5倍以上。

3分析和討論?

通過疲勞試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn):超聲波噴丸的覆蓋率對(duì)AA2024的疲勞性能有很大影響，而疲勞性能則是表 面完整性的綜合表現(xiàn)，超聲波噴丸對(duì)于表面完整性的 影響主要包括3個(gè)方面:( 1) 殘余應(yīng)力場(chǎng);( 2) 微觀組 織;(3) 表面粗糙度。

( 1)?超聲波噴丸可以在試樣表面層引入數(shù)值深度 均較大的殘余壓應(yīng)力場(chǎng)，該殘余壓應(yīng)力場(chǎng)起到了重要 的抗疲勞作用。較大的殘余壓應(yīng)力既可以抵抗外部交 變應(yīng)力，還能抑制疲勞裂紋的萌生;較深的殘余壓應(yīng)力?場(chǎng)能夠阻止裂紋在較深范圍內(nèi)的擴(kuò)展。因此，超聲 波 噴 丸 可 以 明 顯 提 高?AA 2 0 2 4?的 疲 勞 抗 力 。 采 用 不 同?覆蓋率噴丸，得到的殘余應(yīng)力分布也不同，而噴丸覆蓋 率存在一個(gè)優(yōu)化值，利用這個(gè)優(yōu)化值進(jìn)行噴丸，可以獲 得最佳的殘余壓應(yīng)力場(chǎng)分布。因此，選擇優(yōu)化的覆蓋 率可以顯 著提高試樣的表 面完整性及疲勞 性能。

( 2)?超聲波噴丸對(duì)微觀組織的影響是提高疲勞壽 命的另一種重要的作用，在交變載荷的作用下，位錯(cuò)密 度較大的冷作硬化組織可以增大裂紋擴(kuò)展的激活能， 阻礙裂紋擴(kuò)展，提高疲勞壽命。半高寬主要反映了表面冷作硬化程度和位錯(cuò)密度，冷作硬化程度越高，位錯(cuò) 密度越大，半高寬寬化越強(qiáng)烈、數(shù)值越大。與未噴丸試 樣相比，超聲波噴丸后試樣的位錯(cuò)密度和冷作硬化程 度明顯上升，可以阻礙裂紋擴(kuò)展，提高疲勞壽命。

( 3)?超聲波噴丸后試樣的表面粗糙度值增大，而 較粗糙的表面容易引起應(yīng)力集中，而應(yīng)力集中是疲勞裂紋萌生的主要原因，應(yīng)力集中越強(qiáng)烈，裂紋萌生時(shí)間越短?; 應(yīng)力集中還造成了 最大殘余壓應(yīng)力值 下降， 削弱了 殘余壓應(yīng)力的 作用?，甚至 影響到材料的 疲勞 壽命。然而，分析超聲波噴丸對(duì)于表面應(yīng)力集中的影 響，不能簡(jiǎn)單地認(rèn)為噴丸帶來的表面粗糙加大會(huì)對(duì)表 面完整性以及疲勞性能有不利的影響，還應(yīng)考慮噴丸 后凹坑的曲率半徑較大對(duì)于表面完整性和疲勞性能的 積極作用。

4結(jié)語

( 1)?超聲波噴丸覆蓋 率對(duì)AA2024的疲勞 性能有 重 要的 影響 ， 采用?30 0% 覆蓋 率噴 丸 時(shí)，?AA2024?的疲 勞壽命提高了5倍左右，而100%和200%覆蓋率下的疲勞壽命則分別提高了2倍和4倍。

( 2)?不同的超聲波噴丸覆蓋率造成鋁合金疲勞性能 差別 的 主要 原 因是 由于 形 成的 表 面完 整 性狀 態(tài)?(?表面粗糙度、顯微硬度、殘余應(yīng)力場(chǎng)和微觀組織)?的差 異。采用300%覆蓋率噴丸，可以使AA2024保持較小 的表面粗糙度值(?Ra1.6um)?，較高的顯微硬度，較好 的殘余應(yīng)力分布和穩(wěn)定的強(qiáng)化層微觀組織，因此，經(jīng)過?300%覆蓋率噴丸后AA2024的疲勞性能較好。