【摘要】：Inconel718高溫合金在600℃高溫環(huán)境下具有良好的機(jī)械性能,在室溫下的強(qiáng)度等級(jí)高達(dá)1500MPa,常作為連接飛機(jī)機(jī)體的高強(qiáng)度對(duì)接螺栓的關(guān)鍵材料使用。由于在飛機(jī)飛行過程中,對(duì)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(qiáng)度的要求以外還需要同時(shí)滿足高疲勞壽命的要求,以保證飛機(jī)的安全運(yùn)行。而大量關(guān)于Inconel718高溫合金的力學(xué)性能的研究結(jié)果顯示,優(yōu)化的熱處理工藝雖對(duì)提高Inconel718高溫合金的抗拉強(qiáng)度有顯著效果,但對(duì)提高疲勞壽命效果并不明顯。表面強(qiáng)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(xué)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(qiáng)化雖已有大量研究,但研究成果僅局限于表面形變強(qiáng)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(duì)于因表面形變強(qiáng)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(chǎng)對(duì)疲勞性能的影響機(jī)制也并未透徹分析。尤其是先進(jìn)的高能表面強(qiáng)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(duì)材料疲勞性能到底會(huì)產(chǎn)生何種影響有待深入研究。可見,研究Inconel718高溫合金經(jīng)表面形變強(qiáng)化后的殘余壓應(yīng)力場(chǎng)的特征分布規(guī)律以及其對(duì)高周疲勞性能的影響規(guī)律,對(duì)于提高飛機(jī)對(duì)接高強(qiáng)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(dǎo)意義和實(shí)用價(jià)值。在此背景下,本文以飛機(jī)對(duì)接螺栓用Inconel718高溫合金為研究對(duì)象,從影響材料疲勞性能的強(qiáng)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(cè)和分析手段,探索了Inconel718高溫合金在不同抗拉強(qiáng)度下的室溫高周疲勞極限與抗拉強(qiáng)度的定量關(guān)系,對(duì)比了具有不同殘余壓應(yīng)力場(chǎng)分布特征的室溫高周疲勞極限,深入分析了表面形變強(qiáng)化殘余應(yīng)力場(chǎng)對(duì)Inconel718高溫合金室溫高周疲勞極限的影響機(jī)理。對(duì)比了Inconel718合金對(duì)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(jìn)一步提高對(duì)接螺栓的疲勞性能提供新的技術(shù)路徑。主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)論為:(1)首次研究了Inconel718合金在不同強(qiáng)度下的室溫高周疲勞極限與抗拉強(qiáng)度的定量關(guān)系。結(jié)果表明,室溫下,固溶態(tài)和時(shí)效態(tài)Inconel718合金的抗拉強(qiáng)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(qiáng)度比時(shí)效態(tài)低65.9%,但高周疲勞極限比時(shí)效態(tài)的高6.73%。該合金室溫高周疲勞極限與抗拉強(qiáng)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(cè)試儀,首次對(duì)Inconel718合金不同表面形變強(qiáng)化后三維殘余應(yīng)力的分布特征進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)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(xué)理論,首次對(duì)不同表面形狀工件的超聲滾壓覆蓋率進(jìn)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(xué)模型。(4)對(duì)比研究了不同表面形變強(qiáng)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(duì)拉伸性能的影響很小。(5)對(duì)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(shí)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(shí)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(wú)論是固溶態(tài)還是時(shí)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(qiáng)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(qiáng)度反而提高。由此首次提出超聲滾壓殘余應(yīng)力場(chǎng)對(duì)軸向拉壓疲勞性能的影響具有尺寸效應(yīng)。通過統(tǒng)計(jì)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(chǎng)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。基于三軸應(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(qiáng)化殘余壓應(yīng)力場(chǎng)對(duì)疲勞極限的影響機(jī)制。從而為高能改性強(qiáng)化條件下不同尺寸構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)提供了關(guān)鍵理論依據(jù)。(6)對(duì)比研究了不同極限載荷比例下對(duì)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(qiáng)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(duì)接螺栓頭下R的強(qiáng)化處理上具有顯著的強(qiáng)化效果。
【圖文】：

[55]5-工件，6-旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)，7-壓縮氣體供應(yīng)管，8-噴槍志國(guó)[56]等人對(duì)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(duì)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(duì)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(shì)。但試樣的加工硬化的分布卻有，82% (0.2T)的覆蓋率導(dǎo)致加工硬化少于 5%，而將覆蓋率增加到 400% 加工硬化高達(dá) 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(duì) Inconel718 合金疲勞性能的影響研究中，Thierry Klotz[54, 57]等人對(duì)比研丸工藝參數(shù)（彈丸種類及噴丸強(qiáng)度）的室溫高/低周拉拉(R=0.1)疲勞壽命，

高溫合金來(lái)說(shuō)，有一定研究但并不多，主要在探索工藝參數(shù)對(duì)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(dá) 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(duì) 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(duì)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(duì) Inconel718 合金的室溫高周疲勞的具體作用機(jī)理并未見報(bào)道。1.3.1.2 磨料水射流噴丸（Abrasive Water Shot Peening，AVSP）表面強(qiáng)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(shí)受到高速水流產(chǎn)生的負(fù)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(duì)于圓柱形工件，可將工件在裝夾在機(jī)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(dòng)實(shí)現(xiàn)整個(gè)表面強(qiáng)化處理。對(duì)于板狀試樣，可將工件定在工作臺(tái)上，，通過提前在工控機(jī)中設(shè)置噴丸的運(yùn)動(dòng)軌跡來(lái)實(shí)現(xiàn)整個(gè)平面的表面強(qiáng)處理。磨料水噴丸設(shè)備除結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、供料方便等優(yōu)點(diǎn)外，相比傳統(tǒng)機(jī)械噴丸，磨料噴丸的噴射壓力可高達(dá) 400MPa，可使工件材料表面塑性變形程度更大。
【學(xué)位授予單位】：貴州大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：V252;TG132.3

【參考文獻(xiàn)】

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5 安金嵐;王磊;劉楊;胥國(guó)華;趙光普;;長(zhǎng)期時(shí)效對(duì)GH4169合金組織演化及低周疲勞行為的影響[J];金屬學(xué)報(bào);2015年07期

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本文編號(hào)：2636621