喷丸强化对Al-Li-XX和2XXX铝锂合金疲劳性能的影响

苏运来, 常文魁, 陈先民, 董登科

(中国飞机强度研究所, 西安 710065)

近些年，新型轻质结构材料一直是航空航天领域关注和研究的热点[1]。铝锂合金作为一种低密度、高性能的先进轻量化结构材料，因具有较高的比强度、比刚度以及优良的耐损伤、抗疲劳性能而在航空航天领域得到广泛应用[2-3]，如“大力神”和“Delta”运载火箭以及“奋进号”航天飞机[4]、空客A330/340/380等系列飞机[5]部分结构均采用了铝锂合金，俄罗斯下一代窄体客机MS-21机身将由先进铝锂合金制造，中国新型民用飞机C919的部分机身蒙皮、长桁、地板梁以及机身等直段等结构也均采用了先进的铝锂合金，减重效果明显，且疲劳性能得到改善[6]。

飞机结构在服役过程中因经常承受循环载荷的作用而发生疲劳破坏，加之潮湿空气、SO2和盐雾等腐蚀环境会进一步加速其失效破坏。因此，工程中一般通过表面强化处理来提高其疲劳性能和抗腐蚀性能，其中表面喷丸强化由于其操作方便、成本低廉、效果显著、适应面广等优点而应用最为广泛，也因此成为中外学者研究的热点。徐星辰等[7]研究了喷丸强化对2060-T8E30铝锂合金表面完整性和疲劳性能的影响规律，发现合理的喷丸强化工艺可以有效提高其疲劳寿命，过高或过低强度的喷丸处理都难以达到最佳效果。王永军等[8]对2196-T8511铝锂合金挤压型材进行了喷丸强化试验，并对沿试件厚度方向残余应力的分布规律进行了研究。Sun等[9]对2196铝锂合金喷丸后的显微组织演变和力学性能变化进行了研究，通过扫描电镜(scanning electron microscope, SEM)对喷丸后表面状态进行了分析，并采用X射线衍射法测定了喷丸引起的残余应力，进一步揭示了残余应力分布与喷丸工艺参数之间的关系。廖宇等[10]对某型铝锂合金单边缺口拉伸试样进行了谱载疲劳试验，并对外加载荷和残余应力场共同作用下的应力强度因子和疲劳寿命进行研究。Gao等[11-12]研究了喷丸强化对7475-T7351和7050-T7451铝合金疲劳性能的影响，发现7475-T7351铝合金的裂纹主要萌生在第二相周围，7050-T7451铝合金试样的疲劳寿命比未喷丸试样有明显的提高。Luong等[13]对激光喷丸强化前后7050-T7451的疲劳性能进行了研究，发现喷丸强化有效提高了材料的疲劳极限，其强化后试样的疲劳裂纹萌生于结构件的次表面，而未喷丸试件的疲劳裂纹则萌生于试样表面。Rodopoulos等[14]研究了喷丸强化工艺对2024-T351铝合金高周、低周疲劳寿命以及裂纹扩展速率的影响，发现对于低周疲劳，喷丸强化可以降低裂纹扩展速率，而喷丸强化对于高周疲劳的增益则主要在于裂纹扩展前期的止裂效果。Majzobi等[15]研究了7075-T6铝合金喷丸强化后微动疲劳性能的变化，发现喷丸强化将试样的低周微动疲劳寿命提高了300%。王幸等[16]针对喷丸强化后铝合金中心孔板试件在恒幅载荷和Mini-twist试验谱下开展了疲劳试验，并基于试验结果改进了传统疲劳损伤累积理论，提高了谱载下喷丸强化试样的疲劳寿命预估能力。

从已公开文献来看，尽管有关喷丸强化的研究很多，但针对铝锂合金喷丸强化的研究偏少，且多数研究的是喷丸强化工艺参数对铝锂合金疲劳性能的影响和机理分析。为了研究新型铝锂合金喷丸强化后的疲劳性能增益，设计了8组疲劳试验以研究喷丸强化对不同材料、不同取材方向的试件疲劳性能的影响，并采用细节疲劳客定值(detail fatigue rating,DFR)法对疲劳性能进行量化表征及分析，以期为国产大飞机的结构选材、疲劳设计及工程应用提供参考。

1 铝锂合金疲劳试验

1.1 试验件

选用新型铝锂合金Al-Li-XX和2XXX板材进行研究。分别沿这两种铝锂合金的轧制方向(L向)和垂直轧制方向(LT向)进行取材及试件加工，试件采用双边缺口构型，几何尺寸为290 mm×40 mm×6 mm，如图1所示。对部分试件的缺口表面进行喷丸处理，并对所有试样均进行化学抛光以去除缺口边缘的机械加工毛刺和喷丸的丸坑痕迹。

图1 Al-Li-XX和2XXX铝锂合金试验件几何尺寸Fig.1 Geometry feature of specimens for Al-Li-XX and 2XXX alloys

1.2 试验方法

疲劳试验在INSTRON-8801-100 kN液压伺服疲劳试验机上进行，其静态精度为0.5%，动态精度为2.0%。疲劳试验按照《金属材料轴向加载疲劳实验方法》(HB 5287—1996)进行，采用应力控制单向拉伸循环加载，施加的载荷为应力比R=0.06的轴向等幅谱，加载波形为正弦波，频率f=10 Hz。试验安装时保证加载轴线与试验件形心同轴，并对每件试验件均进行尺寸测量，根据截面面积对试验载荷进行相应调整，保证同组试验名义应力相同。两种铝锂合金的疲劳试验安装图如图2所示。

图2 疲劳试验安装图Fig.2 Installation of specimen for fatigue test

1.3 试验结果

为了保证后期DFR计算时试验数据的有效性，根据每种材料类型、取材方向及喷丸状态选择合适应力水平，以尽量保证试件疲劳寿命在1×105～4×105循环。每组试验的应力水平如表1所示，各组疲劳试验的结果如图3所示。由于在疲劳试验中发现两种铝锂合金的试验件在出现1 mm左右裂纹至最终断裂的时间很短，裂纹扩展寿命基本不到试件总寿命的5%。实际上，多数航空铝合金80%～90%的疲劳寿命都消耗在裂纹长度小于数十微米的小裂纹扩展阶段[17]。因此图3中的疲劳试验结果包含了试件的裂纹萌生寿命和裂纹扩展寿命，即试验件的疲劳断裂寿命。

表1 Al-Li-XX和2XXX铝锂合金疲劳寿命结果和DFRTable 1 The fatigue life results and DFR for Al-Li-XX and 2XXX alloy

图3 铝锂合金疲劳试验结果Fig.3 Fatigue test results for Al-Li alloys

2 铝锂合金疲劳特性表征

2.1 基于DFR的疲劳特性表征方法

细节疲劳额定值(DFR)是在总结结构细节疲劳特性统计特征的基础上形成的一种以名义应力为参量的疲劳寿命解析分析方法，其参量DFR的基本定义是在95%置信度和95%可靠度的要求下，构件在应力比R=0.06时能够承受N95/95=105次循环时所能承受的最大应力[18]。从其定义可知，DFR是结构细节本身固有的疲劳性能特征值，是一种对构件耐重复载荷能力的度量，与载荷无关[19]。

由文献[18]可知，DFR与应力、可靠性寿命之间的关系可表示为

(0.47S5-lgN95/95-0.53)-

(1)

式(1)中：σm0为材料常数；σmax为名义应力；S为等寿命曲线的斜率参数；N95/95为95%置信度和95%可靠度下的疲劳寿命，可根据试验数据按照式(2)求得。

(2)

式(2)中：β为试件疲劳寿命服从双参数Weibull分布时的特征寿命；ST为试件系数；SC为置信系数；SR为可靠性系数。这4个参数可由下述方法确定。

疲劳寿命服从双参数Weibull分布时的失效概率及相应的可靠度可表示为

(3)

(4)

试件系数ST用于修正试件与实际结构在尺寸上的差异，对于元件级等幅疲劳试验，可取1.3。

根据双参数Weibull分布规律，已知形状参数α时，可靠度r与置信系数SC、子样数n之间的关系满足：

(5)

(6)

可靠性系数SR可通过对式(3)进行变换获得，即

(7)

2.2 铝锂合金的DFR结果

根据研究目的不同，试验共设计了8组疲劳试验以对比研究铝锂合金材料类型、取材方向、喷丸状态对疲劳性能的影响。采用肖维纳准则对异常试验数据进行筛选，并对试验数据进行处理，得到两种铝锂合金的疲劳寿命结果及DFR如表1所示。需要说明的是，在计算本文两种铝锂合金的DFR时采用了波音公司对DFR计算参数推荐的许用值[19]：σm0=310 MPa，S=2.0，α=4.0。

3 试验结果分析与讨论

3.1 喷丸强化对铝锂合金疲劳性能的影响分析

从表1可以看出，对于Al-Li-XX合金， L向试件在喷丸的情况下比未喷丸的DFR提高了7.5%，而当材料取向为LT时，喷丸与未喷丸试件的DFR基本相同。同样的规律也出现在2XXX合金中，其L向喷丸试件比未喷丸试件的DFR提高4.9%，而对于LT向试件，喷丸强化对其疲劳性能没有影响。

采用中位寿命N50%与概率寿命N95/95的比值N50%/N95/95对疲劳寿命的分散性进行量化表征，可以发现，喷丸强化会不同程度地增大试件疲劳寿命的分散性。其中，Al-Li-XX合金L向未喷丸试件疲劳寿命的分散性较小，经喷丸强化后疲劳寿命分散性增大5.6%；LT向试件的疲劳寿命分散性相对较大，经喷丸强化后其分散性进一步增大，增加了12.4%。对于2XXX铝锂合金，其L向试件在喷丸前后疲劳寿命的分散性相当，而LT向试件在喷丸后疲劳寿命的分散性则明显增大，增加了32.7%。

此外还可以看出， Al-Li-XX合金在未喷丸时L向试件的DFR比LT向的试件高11.7%，说明该铝锂合金的疲劳性能表现出一定的各向异性；而对于2XXX合金，其L向和LT向试件的DFR相差较小，表现出比较明显的各项同性。

3.2 喷丸强化对铝锂合金疲劳性能的影响机理

喷丸强化会在试件表面引入残余压应力场，并且细化表面组织结构，从而改善铝锂合金的抗疲劳性能，如图4所示。在压应力强化机制方面，铝锂合金喷丸强化层内的残余压应力与试件承受的外加拉-拉应力产生叠加，能够抵消部分外载荷的拉应力，缓解疲劳裂纹的萌生和早期扩展，从而提高试件的疲劳性能；在组织强化机制方面，喷丸强化在铝锂合金表面产生的组织细化和加工硬化有助于阻止位错滑移，进而抑制疲劳裂纹的萌生过程[21]。此外，由于喷丸强化层与基体交接处的残余拉应力与外加拉应力相叠加，使得铝锂合金在该位置实际承受的拉应力增大，从而导致裂纹在次表面处萌生的概率大大增加，在表面萌生的概率则明显降低，减小了材料表面缺陷等对铝锂合金疲劳性能的影响，从而一定程度上提高试件的疲劳性能。至于所研究的两种铝锂合金在LT取向时对于喷丸强化不敏感的情形，目前还在进一步研究中。

图4 喷丸强化后铝锂合金沿厚度方向的应力分布示意图Fig.4 Schematic diagram of stress distribution along thickness direction for Al-Li alloy after shot peening

4 结论

通过对Al-Li-XX和2XXX两种新型铝锂合金开展了8组疲劳试验，对比了相同喷丸强化工艺下不同材料、不同取向试件的疲劳性能增益，并采用DFR法进行了量化表征及分析，得到了以下主要结论。

(1)Al-Li-XX合金在L向材料疲劳性能优于LT向，表现出一定的各项异性；2XXX合金在L向与LT向的疲劳性能差别很小，表现出比较明显的各向同性。

(2)无论是疲劳性能各向异性的Al-Li-XX合金还是各向同性的2XXX合金，其L向试件经喷丸处理后疲劳性能有不同程度的提高，而LT向试件的喷丸强化对于疲劳性能基本没有影响。

(3)两种铝锂合金无论是L向还是LT向试件，其在未喷丸时疲劳寿命的分散性较小，喷丸后疲劳寿命的分散性有所增大。