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摘要：采用喷丸引入表层残余应力，分析循环载荷时7075铝合金试样的应力松弛现象，讨论喷丸工艺引入的初始残余应力状态、表层显微硬度和表面粗糙度对疲劳抗性和残余应力松弛的影响。结果表明，喷丸引入的表层残余压应力是提高试样疲劳抗性的主要因素，但表层冷作程度与表面缺口效应对喷丸试样的低周与高周疲劳抗性与残余应力松弛有很大影响。循环应力水平接近高周疲劳极限时，经历高周疲劳残余应力无明显松弛：应力水平接近低周疲劳极限时，残余应力发生早期大幅松弛，且残余应力峰外移。本文由抛丸强化机厂家整理
关键词：喷丸；7075铝合金；应力松弛；显微硬度；残余应力峰；缺口效应

7xxx系铝合金抗拉强度高，但疲劳抗性较低[1】，工程上*般对其喷丸引入表面残余压应力以抑制构件表面裂纹的萌生[2-31。但也有文献指出喷丸引人材料脆化而可能加速疲劳裂纹的扩展[41。大量文献认为喷丸构件的表层残余应力场是影响材料疲劳特性的主要因素．进而研究构件表面喷丸的局部残余应力的松弛特性．如Wyman等阁研究了表面喷丸钢循环载荷下残余应力的松弛研究，Sachin等同对7075*T6铝合金喷丸件应力松弛进行了微动疲劳研究，BenedeRi等同研究了7075T651喷丸试样疲劳裂纹特性等。相比普通钢、不锈钢和钛合金，目前对7xxx系高强铝合金表面喷丸残余应力松弛研究较少II。
本文通过喷丸对试样引入不同的初始残余应力状态、表层冷作程度和表面粗糙度，研究循环载荷下7075铝合金的残余应力松弛。试样的表面特性测试结果表明，较大的残余应力场分布也伴随着较强的表层冷作、塑性变形及表面缺121效应。应力松弛试验则表明，循环应力水平接近4xlO次疲劳极限时，经历高周疲劳残余应力无明显松弛，初始状态下的表层应力集中区不移动，预示疲劳裂纹源不变。在材料塑性流动阶段，载荷越大残余应力松弛越明显；应力水平接近5x10个周期对应的疲劳极限时，残余应力发生早期大幅松弛，且表层应力集中区外移，预示疲劳裂纹源也将外移。另外，表层冷作程度与表面粗糙度对喷丸试样低周与高周疲劳抗性与残余应力松弛也有较大影响

1实验材料与方法
1．1试样制备与力学性能
实验用到的材料是7075铝合金30nllll厚板，主要成分(质量分数，％)如下：1．6Cu、2．5Mg、0．23Cr、5．6Zn，余为A1。利用线切割方式沿轧向取料，取料后对表面进行铣削，得到的试样尺寸如图1所示。热处理过程为从室温开始。每小时升高100℃，保温10min，固溶温度达到480℃后，保温lh，采用水浴淬火，预拉伸2．5％后在120℃下保温5h。

图17075铝合金试样

使用加拿大Proto公司生产的iXRD衍射仪测量试样表面残余应力，均在20MPa以内，接近仪器的测试精度，认为试样无初始应力。采用WPL．250型万能疲劳试验机标定试件的力学性能及引入动应力幅。沿试样纵向进行单向拉伸试验，初始应变率为1xl0。S*，得到试样的力学性能弹性模量E、屈服应力or、抗拉强度or6、断裂应力r、．伸长量E．和断面收缩率R．A．，将结果列于表1。
表1.7075铝合金试样单向拉伸的力学性能

1-2表层残余应力场
使用气喷设备对部分试样表面进行喷丸处理，喷料选用玻璃珠，喷料力学性能与喷丸工艺详细参数如表2、3所示。
表2喷料力学性能

喷丸是*种多次的表面冲击形式的冷处理过程，即无数个小圆形颗粒状介质连续击打零件表面，无数凹陷重叠形成均匀的残余压应力层。7075铝合金强度／硬度高但很脆，其疲劳强度受表面缺口的敏感
性和脆性影响较大，通过引入表层压应力，疲劳强度与强度／硬度将成比例提高。
采用逐层剥除法测量各试样初始表层残余应力分布，修正后的结果如图2所示。由图可知，3种喷丸工艺引入的残余应力影响深度约为100~300m不等．且喷丸程度越严重表层较大残余压应力越大，但整体应力分布有所不同。对于喷丸程度轻的SP1，其表层残余应力峰值处于较表面；喷丸程度较重的SP2其残余压应力峰值位于表层下约50p,m处；而喷丸程度更加严重的SP3其残余压应力峰值较SP2处理位于表层以下更深处，约100μm。

图2.X射线法得到的喷丸与未喷丸试样表层初始残余应力分布

1．3实验方法
1-3．1喷丸试样表层特性测定
对试样逐层剥除．使用维氏硬度测量仪测量试样表层显微硬度，测量参数为：载荷增量速率为0．1N／s，驻留时间为10S，较大载荷为1N。使用轮廓仪测量喷丸处理后试样表面的粗糙度。得到试样中心线的平均值与峰值分布。
试验前选取试样中心位置为x射线应力测量点，疲劳失效后选取远离断口处(>2mm)N量。测量参数：CoK靶，管电压20kV，管电流4mA，衍射晶面(331)，高斯拟合(Gaussian)定峰，准直管尺寸2x5mm，弹性常数1／2S2为18．5606×10，在每个。位置有3。的西角摆动。测量结果表明铝合金表层喷丸处理引入非常均匀的残余应力场。
1．3．2应力加载
对各试样进行循环加载(应力比=*1)，得到4种试样对应于5x10与4x10个周期时的疲劳极限，分别用0-0：4与0"405表示。试验过程中加载频率为3OHz，对3种喷丸试样施加四*不同的循环对称载荷与预计施加载荷周期Ⅳ等
2试验结果与讨论
2．1试样表层显微硬度分布
3种喷丸工艺与未经喷丸处理的试样表层显微硬度分布，考虑到可能的材料非均匀性与测量误差，结果为3次测量值的平均值。

显微硬度可直接反映试样表面加工硬化历程，进而表征表层冷作程度和塑性变形影响深度。比较可知，试样表面喷丸后表层显微硬度分布与残余应力分布类似，即表面冷作程度越高，表层显微硬度峰值越大，且有向表层内移动的趋势。3种喷丸工艺引入的显微硬度分布在表层约350Ixm以内。材料表面喷丸引入残余压应力原因是冷作造成的材料塑化，但表层残余应力峰值与硬度峰值并不处于相同的位置，硬度峰值位于更深处。
2．2试样表面粗糙度分布
试样表面粗糙度直接表征表面缺口效应的应力集中，对循环载荷下的疲劳抗性有很大影响。喷丸冷作程度越高，喷料颗粒越大，造成的表面粗糙度越大，缺口效应应力集中系数越大。
深度D,g、应力峰值P表面粗糙度和表面显微硬度与硬度峰值日删等的影响效果比较。3种不同的喷丸工艺处理后。试样表层的残余应力峰值范围为材料单向拉伸屈服强度的0．44。0．67。表明喷丸工艺提高试样疲抗性的主要原因是引入表层残余压应力。但循环载荷下的应力松弛、表层冷作程度和表面粗糙度造成的缺口效应都将降低这种有利因素。
SP1喷丸强度与喷料颗粒尺寸都较小，冲击试样造成的表面粗糙度小，缺口效应低，对低周与高周疲劳极限提高幅度分别达到13．4％与40．4％，但表面压应力小且影响深度浅，应力峰位于较表面。采用SP2喷丸强度较高的工艺且增大喷料颗粒尺寸．残余应力影响深度明显增大，且应力峰值内移。较大的压应力对低周疲劳极限提高达25．2％，但表面粗糙度也增大，应力集中系数的增大降低了试样高周疲劳极限，提高程度仅30．1％。此时残余应力的有利因素仍大于表面缺口效应产生的不利影响。
冷作程度更高的SP3喷丸工艺与更大的喷料颗粒引入的表面缺口效应的不利影响甚至中和了残余应力的有利因素，此种喷丸处理对试样低周和高周的疲劳抗性提高程度都很小，接近10％。
2．3循环载荷下残余应力松弛
对各试样进行循环加载试验，认为试样发生疲劳失效后表面残余应力处于较终稳定状态。此时采用1-3．1部分的剥层法测量残余应力值。
得到各试样试验前后残余应力沿表层厚度方向分布。可知，喷丸引入的残余应力越大，表面粗糙度引起的缺口效应将越明显，表面集中应力系数将外加应力与残余应力叠加的复合应力放大。故循环载荷下的残余应力松弛越迅速，松弛量也越大。相关文献表明，高周疲劳极限附近，高度的加松弛现象。
工硬化将造成材料表层显微结构塑化，位错的萌生造成晶格畸变过强，对材料内部造成扩散损伤，产生微裂纹。
复合应力远小于材料屈服极限时。残余应力松弛不明显，且应力峰位置保持不变，对疲劳裂纹的萌生位置没有影响；逐渐增加载荷，达到材料的局部塑性流动应力时。残余应力明显松弛；当载荷接近低周疲劳极限时，残余应力*先在表层以下的应力集中处发生大幅松弛。且由表层喷丸冷作的原因，残余应力峰及残余拉压应力区皆向表层外移动，表明产生疲劳裂纹源的区域也将向表层外移动。

一般认为，复合应力超过材料局部屈服极限时才会发生应力松弛现象。但由图4可知，在复合应力低于材料的屈服极限时残余应力也有所松弛。分析原因为喷丸引入的表面冷作对材料屈服强度有显著影响，不同喷丸处理后试样的表层显微硬度和表面粗糙度引起的缺口效应也表明．试样内部存在局部屈服强度梯度。加工过程中表面材料承受复杂的应变历程，有可能表现出屈服面状态，从而造成表面微观屈服强度低于整体材料的屈服极限，所以在复合应力低于材料屈服强度时也有应力松弛现象
3结论
(1)喷丸提高铝合金试样疲劳极限的主要因素是引人表层压应力场。喷丸程度低时，残余应力峰位于试样较表面，随着喷丸处理程度加大。残余应力峰值增大且向表层内移动。本文由抛丸强化机厂家整理
(2)试样表层显微硬度可表征表面冷作程度和塑性变形影响深度，与表层残余应力有相同的变化趋势，且硬度峰值层位于残余应力峰值层之下
(3)喷丸冷作引入材料表层局部屈服强度梯度，造成表面微观屈服强度低于整体材料的屈服极限，残余应力更容易松弛。
(4)喷丸引入的试样表面粗糙度对提高试样疲劳极限有很大影响。粗糙度过大时，表面缺口效应明显，残余压应力场的作用将被严重削弱。
(5)高周疲劳极限附近，残余应力松弛不明显，且应力集中层保持不变；随着载荷加大，达到材料的局部塑性流动应力，尤其在低周疲劳载荷附近，早期即发生明显的应力松弛，且应力集中区向表层外移动。