喷丸强化铝合金铆接件微动损伤行为研究

作     者：孙一帆 

作者单位：大连理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：付雪松

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：喷丸强化 2024铝合金 铆接件 微动磨损 疲劳性能 

摘      要：飞机壁板常采用铆接连接,服役过程中在连接部位与铆钉形成微动磨损。这将加速疲劳裂纹萌生及早期扩展,降低铆接件疲劳寿命,构成一个潜在危险失效源。本文尝试采用机械喷丸和激光+机械复合喷丸表面强化技术,改性处理飞机壁板用2024铝合金板,提升铆接件抗微动损伤能力。利用X射线衍射仪、维氏硬度计、激光共聚焦显微镜、扫描电镜、微动磨损机和疲劳试验机等设备,表征改性处理后铝合金板材的表面完整性,测试表面改性工艺对铆接件微动摩擦和微动疲劳性能影响规律,分析铆接件微动损伤特征和影响机理,主要结果如下:喷丸强化处理能够显著提升铆接件平均疲劳寿命,相对于原始试样最高提升了36.3倍。0.2 mm A的喷丸强度,200%的覆盖率的喷丸参数最大限度的提升了铝合金铆接件在长期微动磨损过程中的耐磨性能。板面喷丸后(只对铆接板表面喷丸处理)试样相对于原始试样平均疲劳寿命提升了10.0倍;板面+孔面喷丸试样相对于原始试样平均疲劳寿命提升了12.3倍;板面+孔面+石墨润滑喷丸试样相对于原始试样平均疲劳寿命提升了36.3倍。断口失效分析发现喷丸强化后疲劳裂纹源位置发生转移。原始件裂纹源位于铆接孔棱角的表面(板面与孔交界位置),板面喷丸后(只对铆接板表面喷丸处理)裂纹源转向铆接孔壁的表面,板面+孔面+石墨润滑喷丸试样裂纹源转向铆接孔次表面,距离表面约为300μm,强化效果最好。喷丸强化后铝合金铆接件疲劳性能得到提高是因为表层晶粒发生细化、表层显微硬度增加和引入了残余压应力场的共同作用。喷丸强化对铝合金微动耐磨性能的影响随喷丸工艺参数变化而波动。在线/面微动摩擦测试中,原始样品磨痕深度为41.5μm;0.2 mm A-200%时磨痕深度降低至34.6μm,耐磨性得到最大的提高;0.3 mm A-200%时磨痕深度升高至58.9μm,耐磨性降低最多;激光+机械复合喷丸试样的最大磨痕深度降低至39.4μm,耐磨性提高。原始试样磨损机制主要为氧化磨损、磨粒磨损和粘着磨损。喷丸强化试样磨损机制主要为氧化磨损、磨粒磨损和脱层磨损。喷丸强化对铝合金表面完整性产生较大的影响。机械喷丸强化后2024铝合金表面粗糙度随着喷丸强度的增加而增大,当喷丸强度为0.3 mm A时,表面粗糙度达到10.209μm。铝合金经喷丸强化后形成残余压应力场,并随着喷丸强度的增加残余压应力场深度增大,当喷丸强度为0.3 mm A时,残余压应力场深度达到300μm,最大残余应力为-300MPa。复合喷丸强化后表面粗糙度为3.861μm,残余压应力场的深度为1000μm,最大残余应力为-312 MPa。通过EBSD研究发现,喷丸处理使得样品表层小角度晶界所占比例增多,表层晶粒细化。