喷丸强化对2024-T351板材疲劳性能的影响

李 耀，孙汉斌

(航空工业飞机强度研究所，全尺寸飞机结构静力∕疲劳航空科技重点实验室，陕西 西安 710065)

1 引 言

疲劳特性是飞机结构强度重点关注的内容，采用何种工艺强化方法来改善结构的抗疲劳性能成为国内外学者研究的重点问题之一。喷丸强化工艺是一种利用高速运动的弹丸流撞击靶材，在靶材表层发生弹塑性变形，在表层产生残余应力，从而提高靶材的抗疲劳特性的方法，广泛应用于航空、航天和汽车领域[1]。国内外针对喷丸强化材料疲劳特性影响进行了大量的研究工作。Klemenz应用有限元法研究了喷丸强化后材料表面的特征[2]；Liu等研究了在不同条件下喷丸强化对Mg-10Gd-3Y合金高周疲劳性能的影响[3]；Dalaei等研究了喷丸强化对珠光体微合金钢疲劳寿命的影响[4]；柳成才利用有限元软件研究了喷丸工艺参数对材料性能改善的影响[5]；杜东兴研究了喷丸强化工艺对新型高强度钛合金疲劳行为的影响规律[6]；马铭等研究了喷丸强化对7A09铝合金疲劳性能的影响[7]；王旭等研究了喷丸成形工艺对2024HDT-T351板材疲劳性能的影响[8]。

为研究喷丸强化对2024-T351铝合金板材疲劳性能的影响，本文采用了一种单剪硬点多细节结构疲劳试验件，开展对比试验。通过对试验寿命进行分布拟合对比，选定合适的分布类型。按照细节疲劳额定值(DFR)方法对试验数据进行处理和分析，对喷丸强化工艺对2024-T351板材疲劳性能的影响效果进行分析，为喷丸强化工艺在航空领域工程应用提供依据。

2 对比试验

2.1 试验件

结构的抗疲劳特性研究主要是通过试验分析方法来完成。为研究喷丸强化工艺对2024-T351板材疲劳性能的影响，本文根据某型飞机中央翼下壁板结构细节及喷丸强化工艺情况，设计了一种单剪硬点多细节DFR试验件。试验件在考核区进行了开孔，试验件上表面通过高强螺栓与垫板相连，如图1所示。试验件分组情况见表1，两组试验件中影响DFR的孔填充系数A、埋头深度系数C、材料叠层系数D、螺栓夹紧系数E、凸台有效系数U和构件疲劳额定系数RC几项参数均一致，仅合金表面处理系数B不同。

合理地选择喷丸强化工艺参数，能够显著提高零部件中的残余应力，有效阻止裂纹的产生和抑制裂纹的扩展，延长零件的使用寿命。本文试验中，喷丸强化组SY2-2所采用的试验件喷丸强化工艺需要满足两个技术指标，分别是喷丸强度为0.15mmA～0.2mmA和覆盖率为100%。

图1 试验件示意图

组号材料取向工艺状态数量基准组SY2-12024-T351L-T机加6喷丸强化组SY2-22024-T351L-T机加+喷丸强化6

2.2 试验过程

在INSTRON/50t疲劳试验机(如图2所示)上进行试验。试验件可以直接利用疲劳试验机夹头夹持，夹头一端固定，一端加载。试验件安装时，保证加载轴线与试验件中心重合。疲劳试验前，每组试验件要进行静力应变测量，来验证试验载荷施加的线性度、对称性和重复性。两组试验件疲劳试验采用常幅谱进行，最大载荷均为128kN，应力比为0.06，加载频率均为5Hz。

图2 INSTRON/50t疲劳试验机

2.3 试验结果

两组试验件疲劳破坏形式如图3所示，破坏部位为紧固件孔处开裂。两组试验件疲劳试验结果如图4所示。

图3 试验件破坏形式

图4 疲劳试验结果

3 结果分析

3.1 基于试验结果的分布拟合

基于试验结果的DFR值测定首先需要进行分布假设，国内外普遍采用的分布为对数正态分布和威布尔分布。对数正态分布广泛应用于可靠性(概率)设计，对于疲劳相关现象以及其他应力-应变现象建模都非常有效；威布尔分布是针对故障时间建模的通用分布，最早应用于疲劳相关现象建模[9]。本文分别采用对数正态分布和双参数威布尔分布对试验结果数据进行分布拟合。两种分布95%置信区间拟合结果分别如图5、图6所示。

(a)对数正态分布 (b)双参数威布尔分布图5 SY2-1试验结果不同分布拟合

(a)对数正态分布 (b)双参数威布尔分布图6 SY2-2试验结果不同分布拟合

图5、图6中，AD值为分布拟合检验中的AD统计检验方法，是绘制点与最佳线性拟合之间的平方差的加权和。AD值越小，分布拟合结果越好。P值为相关系数，P值大于所选显著性水平(0.05)表示服从假设分布，反之则不服从该假设分布。P值越大，分布拟合结果越好。通过对比上述两种分布拟合情况可得：本文中试验件疲劳寿命较好，符合对数正态分布。

3.2 基于试验结果的DFR值计算

DFR定义为当应力比R=0.06时，在95%置信度和95%可靠度要求下，结构能承受105次循环寿命载荷的最大应力。工程上通常采用DFR值来表征结构的抗疲劳性能。DFR值是结构细节本身固有的疲劳性能特征值，与使用的载荷无关[10]。在得到两组试验件的疲劳试验寿命值后，选定合适的分布类型从而得中值寿命N50。

在得到N50的基础上，双95寿命N95/95(95%置信度和95%可靠度下的疲劳寿命)按下式计算：

(1)

式中，ST为试件系数，试验中采用等幅谱时，取ST=1.3；SC为置信系数，与试验件破坏数有关；SR为可靠性系数，对于铝合金，取SR=2.1。

式(1)中的置信系数SC按下式计算：

SC=(31/a-lgn/a)m1/a

(2)

当Sc<1时，取Sc=1。式中，a为疲劳寿命双参数威布尔分布的形状参数，对于铝合金，取a=4；m为相同细节数，本文m=6；n为子样个数，本文n=6；

DFR值按下式计算：

(3)

式中，σm0为材料常数，对于铝合金，取σm0=310MPa；R为疲劳试验应力比，取R=0.06；σmax为疲劳试验最大应力，本文取σmax=266.7MPa。

式(3)中X按照下式计算：

X=S(5-lgN95/95)

(4)

式中，S为S-N曲线的斜度参数，对于铝合金，取S=2.0。

按照上述计算过程对疲劳试验结果进行处理，得到每组的双95寿命和DFR值，试验结果与计算结果统计见表2。

表2 基于试验结果的DFR值计算结果

3.3 基准组DFR值理论计算

基准组DFR值理论计算按照单剪硬点多细节DFR计算，计算公式如下：

DFR=DFRbase×A×B×C×D×E×U×RC

(5)

式中，DFRbase为具有数百个相似细节结构件允许使用的最小DFR值的基准值，本文取DFRbase=121；A为孔填充系数，取A=0.93；B为表面处理系数，取B=1.0；C为埋头深度系数，取C=1；D为材料叠层厚度系数，取D=1；E为螺栓夹紧系数，取E=1.05；U为凸台有效系数，取U=1.208；RC为构件疲劳额定系数，取RC=1.31。经计算，基准组DFR=186.98MPa。

3.4 对比分析

基准组基于试验结果的DFR值为191.7MPa，基准组DFR理论计算值为186.98MPa，通过比较可得：基准组试验DFR与理论值相差不大，表明试验过程及结果可信；理论值比试验值略小，表明理论求解DFR值偏保守。

喷丸强化组基于试验结果的DFR值为203.4MPa，较基准组高，通过对比可得：2024-T351板材采用喷丸强化工艺后，疲劳性能相比基准组提高6%。在疲劳分析时，采用喷丸强化工艺后合金表面处理系数B可以保守取1.06。

4 结 论

本文通过对基准组与喷丸强化组试验件进行疲劳试验，对疲劳试验结果进行两种分布拟合比较，最终选定对数正态分布，然后分别计算求解，得到基于试验结果的DFR值。通过试验结果与理论计算结果对比、两组试验结果对比，得到以下结论：

(1)本文中试验件疲劳寿命更符合对数正态分布。

(2)基准组试验DFR与理论值相差不大，试验过程及结果可信；基准组DFR理论值比试验值略小，理论计算偏保守。

(3)2024-T351板材采用喷丸强化工艺后疲劳性能相比基准组提高6%。