【摘要】：Inconel718高溫合金在600℃高溫環(huán)境下具有良好的機械性能,在室溫下的強度等級高達1500MPa,常作為連接飛機機體的高強度對接螺栓的關(guān)鍵材料使用。由于在飛機飛行過程中,對接螺栓承受著復(fù)雜的疲勞載荷作用,因此,所使用的材料除了需要滿足高強度的要求以外還需要同時滿足高疲勞壽命的要求,以保證飛機的安全運行。而大量關(guān)于Inconel718高溫合金的力學性能的研究結(jié)果顯示,優(yōu)化的熱處理工藝雖對提高Inconel718高溫合金的抗拉強度有顯著效果,但對提高疲勞壽命效果并不明顯。表面強化技術(shù)因在材料表層引入殘余壓應(yīng)力和提高材料表層力學性能而成為提高材料疲勞壽命的主要措施。關(guān)于Inconel718高溫合金的表面形變強化雖已有大量研究,但研究成果僅局限于表面形變強化后表層特征參數(shù)變化及提高疲勞性能的結(jié)果的表征和分析,對于因表面形變強化處理后引入的殘余壓應(yīng)力的分布特征規(guī)律缺乏系統(tǒng)研究,殘余壓應(yīng)力場對疲勞性能的影響機制也并未透徹分析。尤其是先進的高能表面強化技術(shù)在材料表面引入更大的殘余壓應(yīng)力和更深的殘余壓應(yīng)力層深后,將對材料疲勞性能到底會產(chǎn)生何種影響有待深入研究�？梢�,研究Inconel718高溫合金經(jīng)表面形變強化后的殘余壓應(yīng)力場的特征分布規(guī)律以及其對高周疲勞性能的影響規(guī)律,對于提高飛機對接高強度螺栓的疲勞壽命,縮短其研發(fā)周期,降低其研發(fā)成本具有重要的指導意義和實用價值。在此背景下,本文以飛機對接螺栓用Inconel718高溫合金為研究對象,從影響材料疲勞性能的強度、表層殘余壓應(yīng)力分布、表面形貌及粗糙度、表層微觀組織及顯微硬度分布等因素出發(fā),結(jié)合OM、SEM、TEM、HRTEM和EBSD等檢測和分析手段,探索了Inconel718高溫合金在不同抗拉強度下的室溫高周疲勞極限與抗拉強度的定量關(guān)系,對比了具有不同殘余壓應(yīng)力場分布特征的室溫高周疲勞極限,深入分析了表面形變強化殘余應(yīng)力場對Inconel718高溫合金室溫高周疲勞極限的影響機理。對比了Inconel718合金對接螺栓頭部R超聲滾壓和傳統(tǒng)滾壓的高周疲勞壽命和疲勞斷裂特征,為進一步提高對接螺栓的疲勞性能提供新的技術(shù)路徑。主要研究內(nèi)容和結(jié)論為:(1)首次研究了Inconel718合金在不同強度下的室溫高周疲勞極限與抗拉強度的定量關(guān)系。結(jié)果表明,室溫下,固溶態(tài)和時效態(tài)Inconel718合金的抗拉強度分別為940MPa和1560MPa,高周疲勞極限(10~7次)分別為492MPa和461MPa,固溶態(tài)的抗拉強度比時效態(tài)低65.9%,但高周疲勞極限比時效態(tài)的高6.73%。該合金室溫高周疲勞極限與抗拉強度滿足二次函數(shù)關(guān)系。(2)基于X射線衍射三維應(yīng)力測試儀,首次對Inconel718合金不同表面形變強化后三維殘余應(yīng)力的分布特征進行了實驗研究。研究結(jié)果表明:噴丸表層殘余應(yīng)力狀態(tài)從表面到次表面依次為三維應(yīng)力狀態(tài)、平面應(yīng)力狀態(tài)和單軸應(yīng)力狀態(tài)。超聲滾壓表層殘余應(yīng)力狀態(tài)為表面平面應(yīng)力狀態(tài)到次表面單軸應(yīng)力狀態(tài)過渡。噴丸和超聲滾壓的軸向表面殘余壓應(yīng)力值基本相等,約為1000MPa,但超聲滾壓殘余壓應(yīng)力層深是噴丸的1.5倍。(3)基于接觸力學理論,首次對不同表面形狀工件的超聲滾壓覆蓋率進行理論研究。構(gòu)建了圓柱端面、圓柱面及平面工件超聲滾壓覆蓋率的數(shù)學模型。(4)對比研究了不同表面形變強化方式、不同工藝參數(shù)的超聲滾壓的形變表層特征及拉伸性能。結(jié)果表明:噴丸和超聲滾壓的表層形變特征基本相同,噴丸表面粗糙度是超聲滾壓的4.44倍;超聲滾壓表層塑性變形程度及深度都隨單位面積沖擊次數(shù)和滾壓遍數(shù)的增加而增加,其中滾壓遍數(shù)增加的影響程度大于單位面積沖擊次數(shù)。在較大工藝參數(shù)的條件下,固溶態(tài)Inconel718合金超聲滾壓表面出現(xiàn)表面納米化,但納米組織層深較淺,對拉伸性能的影響很小。(5)對比研究了噴丸和超聲滾壓處理試樣、不同尺寸及不同熱處理狀態(tài)的試樣經(jīng)超聲滾壓處理后的室溫高周疲勞行為。結(jié)果表明,時效態(tài)Inconel718合金φ3.6mm試樣,噴丸后疲勞極限提高了3.2%,超聲滾壓后疲勞極限反而降低了24.8%;固溶態(tài)Inconel718合金φ3.6mm試樣,超聲滾壓后疲勞極限降低了25.8%。但時效態(tài)Inconel718合金φ8mm試樣經(jīng)超聲滾壓后疲勞極限提高了10.8%。斷口分析結(jié)果發(fā)現(xiàn),無論是固溶態(tài)還是時效態(tài)合金小尺寸(φ3.6mm)試樣經(jīng)超聲滾壓后的疲勞裂紋均萌生于試樣心部位置,其疲勞強度反而降低;但是小尺寸噴丸試樣和大尺寸(φ8mm)超聲滾壓試樣的疲勞裂紋均萌生于試樣次表面,其疲勞強度反而提高。由此首次提出超聲滾壓殘余應(yīng)力場對軸向拉壓疲勞性能的影響具有尺寸效應(yīng)。通過統(tǒng)計不同載荷應(yīng)力下的疲勞裂紋萌生位置,結(jié)合殘余壓應(yīng)力場的分布特征,闡明了小尺寸試樣超聲滾壓疲勞極限降低的原因�；谌S應(yīng)力度的內(nèi)部疲勞極限理論,構(gòu)建了軸向拉壓疲勞試樣的內(nèi)部疲勞極限分布模型;獲得了表面形變強化殘余壓應(yīng)力場對疲勞極限的影響機制。從而為高能改性強化條件下不同尺寸構(gòu)件的疲勞強度設(shè)計提供了關(guān)鍵理論依據(jù)。(6)對比研究了不同極限載荷比例下對接螺栓頭部R超聲滾壓和傳統(tǒng)滾壓后的高周疲勞壽命。結(jié)果表明,采用超聲滾壓強化處理,載荷比例為40%的螺栓疲勞壽命約為傳統(tǒng)滾壓的20倍,載荷比例為50%的螺栓疲勞壽命約為傳統(tǒng)滾壓的7倍。超聲滾壓在具體的對接螺栓頭下R的強化處理上具有顯著的強化效果。
【圖文】：

[55]5-工件，6-旋轉(zhuǎn)工作臺，7-壓縮氣體供應(yīng)管，8-噴槍志國[56]等人對比了鋼丸+玻璃丸及純鋼丸的噴丸處理，結(jié)果表明：殘余應(yīng)力”型分布，鋼丸+玻璃丸噴丸的σrs、σrm、zm和 z0分別為-570MPa、-790MP 和 550μm；純鋼丸噴丸的σrs、σrm、zm和 z0分別為-480MPa、-740MPa、60m。相比較而言，鋼丸+玻璃丸的混合噴丸殘余壓應(yīng)力分布較純鋼丸噴丸的 Klotz[54, 57]等人對比了切絲彈丸和鑄鋼丸兩種噴丸處理的的殘余應(yīng)力分布，丸種類的不同只對最大殘余壓應(yīng)力值有影響，切絲彈丸的略大于鑄鋼丸，其均相同。Cammett, J T[58]等人研究表明：不同覆蓋率的殘余應(yīng)力分布相似，型分布，殘余應(yīng)力特征分布值與 P Prevéy[46]等人的基本相同，殘余壓應(yīng)力小)都隨著覆蓋率的增加而略有增加的趨勢。但試樣的加工硬化的分布卻有，82% (0.2T)的覆蓋率導致加工硬化少于 5%，而將覆蓋率增加到 400% 加工硬化高達 35%；殘余應(yīng)力的熱穩(wěn)定性隨表面加工硬化程度的增大而下丸對 Inconel718 合金疲勞性能的影響研究中，Thierry Klotz[54, 57]等人對比研丸工藝參數(shù)（彈丸種類及噴丸強度）的室溫高/低周拉拉(R=0.1)疲勞壽命，

高溫合金來說，有一定研究但并不多，主要在探索工藝參數(shù)對表面完整性（表面粗度、表層微觀組織、表層硬度及殘余應(yīng)力分布）的影響。根據(jù)所采用的工藝參數(shù)的同，噴丸后的表面殘余壓應(yīng)力有高達 1000MPa 的也有只有 140MPa 的，殘余壓應(yīng)的深度有 200μm 的也有 600μm 的。至于噴丸引入的殘余應(yīng)力對 Inconel718 合金疲性能的影響，從上述研究結(jié)果中可以看到的是，噴丸引入的殘余壓應(yīng)力對低周疲勞高溫疲勞的基本沒有影響，顯著提高室溫高周拉拉疲勞壽命。但是，噴丸殘余壓應(yīng)對 Inconel718 合金的室溫高周疲勞的具體作用機理并未見報道。1.3.1.2 磨料水射流噴丸（Abrasive Water Shot Peening，AVSP）表面強化技術(shù)如圖 1.2 所示為用水與磨料的混合物作為彈丸介質(zhì)的噴丸設(shè)備，磨料依靠自重下降落的同時受到高速水流產(chǎn)生的負壓的作用而被吸入混合管中與水流混合，形成合水流從噴頭噴出。對于圓柱形工件，可將工件在裝夾在機床主軸上以一定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)而噴頭則沿工件的軸線方向移動實現(xiàn)整個表面強化處理。對于板狀試樣，可將工件定在工作臺上，，通過提前在工控機中設(shè)置噴丸的運動軌跡來實現(xiàn)整個平面的表面強處理。磨料水噴丸設(shè)備除結(jié)構(gòu)簡單、供料方便等優(yōu)點外，相比傳統(tǒng)機械噴丸，磨料噴丸的噴射壓力可高達 400MPa，可使工件材料表面塑性變形程度更大。
【學位授予單位】：貴州大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：V252;TG132.3

【參考文獻】

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本文編號：2636621