廖 凱， 熊冠華， 朱家豪， 陳 輝， 柳建安

(中南林業(yè)科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，長沙 410004)

振動(dòng)時(shí)效(Vibration Stress Relief，VSR)工藝目前主要應(yīng)用于黑色金屬領(lǐng)域，使鑄鐵件和焊接件中應(yīng)力集中的部位進(jìn)行應(yīng)力消減與均化，以達(dá)到工程所需的要求[1-2]。大型鋁合金整體結(jié)構(gòu)件存在著內(nèi)部應(yīng)力與表面應(yīng)力分布的巨大差異，有著和黑金屬結(jié)構(gòu)件類似的情形，因此，可借助VSR方法對(duì)構(gòu)件表面特征實(shí)施影響，研究其對(duì)材料表面的影響，如應(yīng)力消減、表面硬化、形狀尺寸穩(wěn)定等。

學(xué)者對(duì)VSR在黑金屬構(gòu)件上的應(yīng)用做了大量的研究，從宏觀方面來看，VSR方法可用于改善金屬性能，特別是改善機(jī)械性能和釋放殘余應(yīng)力方面有著顯著的效果[3-5]。其效果主要集中在材料屈服后的殘余應(yīng)力降低，例如通過時(shí)效來提高波紋管尺寸穩(wěn)定性，降低殘余應(yīng)力[6]，以及對(duì)焊接件進(jìn)行高頻振動(dòng)后的應(yīng)力消減等[7-8]。Kwofie等[9-13]對(duì)鋼焊接件、懸臂梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行振動(dòng)時(shí)效以消減應(yīng)力，效果理想。Chih等[14]從鋼的微觀結(jié)構(gòu)研究了振動(dòng)時(shí)效對(duì)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力消減和晶粒細(xì)化，認(rèn)為偏心振動(dòng)器具有這方面的優(yōu)勢，其成果對(duì)本文在有色金屬上的微觀實(shí)驗(yàn)研究提供了思路。

從微觀方面看， Wang等[15-17]針對(duì)鋁合金織構(gòu)狀況進(jìn)行了振動(dòng)時(shí)效下應(yīng)力消減的有效性分析，提出了“Orientation of banding”應(yīng)力消減理論，并認(rèn)為材料在這個(gè)方向上應(yīng)力消減明顯，說明不同的材料組織狀況在不同的振動(dòng)工藝下，時(shí)效的效果會(huì)不同。吳運(yùn)新等對(duì)鋁合金厚板進(jìn)行振動(dòng)時(shí)效處理，研究了振動(dòng)時(shí)效工藝過程，初步得出時(shí)效工藝參數(shù)對(duì)鋁合金厚板的影響[18]。還有一些研究工作比較關(guān)注振動(dòng)后材料微細(xì)觀結(jié)構(gòu)變化，例如晶粒取向的改變和旋轉(zhuǎn)問題[19-20]。學(xué)者劉明顯研究了通過超聲波沖擊消除鋁合金焊接應(yīng)力，并且從位錯(cuò)理論闡述了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)消除焊接殘余應(yīng)力的機(jī)理[21]。這些都說明VSR對(duì)材料表面特性的影響，其中位錯(cuò)理論是比較普遍接受的一種觀點(diǎn)。綜上，本文擬利用VSR的特點(diǎn)，對(duì)有色金屬結(jié)構(gòu)件進(jìn)行相關(guān)時(shí)效實(shí)驗(yàn)，分析其對(duì)材料表面特性的影響。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 試樣制備

實(shí)驗(yàn)材料為7075-T651高強(qiáng)鋁合金厚板，銑削加工2塊500 mm×104 mm×60 mm結(jié)構(gòu)件試樣，試樣壁厚2 mm，底厚6 mm，形狀如圖1所示。

圖1 鋁合金薄壁構(gòu)件

為了對(duì)比分析，對(duì)其中2#試樣進(jìn)行噴丸處理，以獲得更大的表面殘余應(yīng)力，這樣可以與1#銑削試樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析。噴丸設(shè)備為ST-1960，參照航空零件噴丸強(qiáng)化標(biāo)準(zhǔn)[22]，磨料選用石英砂丸，參數(shù)選用粒度直徑0.5 mm，噴射強(qiáng)度0.3 MPa，垂直試樣噴射距離為100 mm，噴口直徑5 mm，100%表面覆蓋。應(yīng)力測試和TEM取樣如圖1中位置所指。表1為材料的力學(xué)屬性。

表1 7075鋁合金力學(xué)屬性

1.2 調(diào)試與參數(shù)設(shè)置

VSR時(shí)效采用HK2000K1型全自動(dòng)振動(dòng)時(shí)效儀器。由于試樣比較小，質(zhì)量輕，且屬于零件類，故選擇在1 800 mm×1 000 mm×80 mm的鑄鐵平臺(tái)板振動(dòng)為宜。利用聚砂法確定板型振動(dòng)的弱勢區(qū)，即將細(xì)砂放置在平板上，當(dāng)激振器開啟后，砂子會(huì)聚集到一條直線上，這個(gè)直線位置振幅接近零(簡稱零線)。實(shí)驗(yàn)得到相鄰零線位置930 mm，沿平臺(tái)長度對(duì)稱分布。隨后將4個(gè)軟墊置于零線附近位置，軟墊長度相距1 000 mm，寬度500 mm。在調(diào)試中，將激振器置于上述相鄰零線的中間、距離零線1/3以及置于平臺(tái)橫向的正中間3個(gè)位置上，分別逐漸加大激振力以獲得最佳激振位置。最后，實(shí)驗(yàn)確定：零線位置始終不變，可將試樣長度方向上的對(duì)稱線對(duì)準(zhǔn)其中一根零線放置，使試樣沿對(duì)稱線兩側(cè)正交受力。同時(shí)，激振器置于相鄰兩根零線中間位置時(shí)激振效果最佳。此時(shí)，激振器可調(diào)偏心角為40°，平臺(tái)激振加速度為54.0 m/s2，在亞共振區(qū)振動(dòng)，激振頻率在114～116 Hz，振幅200～230 μm。圖2為激振器及試樣定位簡圖，試樣由壓板和螺栓裝夾在振動(dòng)平臺(tái)上，保證振動(dòng)時(shí)不會(huì)出現(xiàn)松動(dòng)。

圖2 激振器、平臺(tái)及工件裝夾示意圖

由于本次實(shí)驗(yàn)是為了發(fā)現(xiàn)VSR對(duì)構(gòu)件的作用效果，而材料表面的應(yīng)力強(qiáng)度較黑金屬殘余應(yīng)力要小，故在參考黑金屬時(shí)效的基礎(chǔ)上，選取30 min和60 min。VSR時(shí)效處理見表2。

表2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

1.3 測 試

表面應(yīng)力采用PROTO的X-ray表面應(yīng)力測試分析儀獲取，儀器誤差±20 MPa。采用逐層腐蝕地對(duì)待測表面進(jìn)行應(yīng)力測試，以獲得表面深度上的應(yīng)力分布。位錯(cuò)采用TEM電鏡觀察，在如圖1所示指定取樣點(diǎn)進(jìn)行取樣，顯微硬度在顯微硬度儀進(jìn)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 動(dòng)應(yīng)力與表面應(yīng)力

一般認(rèn)為，材料的殘余應(yīng)力σr和動(dòng)應(yīng)力σd疊加之和大于屈服極限σs，才能使該處應(yīng)力消減，即：

σr+σd>σs

(1)

對(duì)于薄壁件而言，材料內(nèi)應(yīng)力很低(±10 MPa以內(nèi))，故在交變應(yīng)力作用下本文只考察材料表面變化情況。其中表面應(yīng)力可以實(shí)驗(yàn)測得，動(dòng)應(yīng)力根據(jù)振動(dòng)實(shí)測參數(shù)計(jì)算：鑄鐵平臺(tái)在鋁合金薄壁試樣表面形成的最大動(dòng)應(yīng)力σd約為117.8 MPa?？紤]其疲勞損傷，以及材料存在的不均勻性和微屈服強(qiáng)度不同于宏觀屈服強(qiáng)度的特點(diǎn)，在實(shí)際中更多情況下采用殘余應(yīng)力σr和動(dòng)應(yīng)力σd疊加之和小于疲勞極限σ-1，即：

σr+σd<σ-1

(2)

7075T651材料疲勞極限約為230 MPa，而試樣表面殘余應(yīng)力值為壓應(yīng)力，故可滿足式(2)的要求。薄壁構(gòu)件的動(dòng)應(yīng)力在疲勞極限要求下進(jìn)行，不會(huì)對(duì)構(gòu)件的疲勞損傷。薄壁試樣由厚板銑削加工而成，其應(yīng)力場分為內(nèi)應(yīng)力和表面應(yīng)力，內(nèi)應(yīng)力分布約-5～8 MPa。相反，表面應(yīng)力卻很高，往往由于采用的工藝不同而出現(xiàn)上百兆帕。VSR前，對(duì)2個(gè)試樣進(jìn)行逐層腐蝕后XRD表面應(yīng)力測試，獲得表面應(yīng)力分布情況，此處以沿試樣長度方向分布為準(zhǔn)，如圖3(a)所示。材料表面都呈現(xiàn)壓應(yīng)力分布，噴丸強(qiáng)化作用下的試樣2表面應(yīng)力最大約-240 MPa，銑削加工的試樣1表面最大約-80 MPa。

(a) XRD實(shí)測

(b) 包辛格效應(yīng)

VSR過程就是材料表面殘余應(yīng)力與時(shí)效動(dòng)應(yīng)力疊加交變作用的過程。以試樣2表面的σr=-240 MPa的應(yīng)力取樣點(diǎn)為例，表面交變應(yīng)力σr±d=σr±σd，其范圍盡管沒有達(dá)到材料宏觀屈服極限，但在動(dòng)應(yīng)力交變20萬～40萬次后，材料表面組織內(nèi)就存在發(fā)生微觀屈服的可能。如圖3(b)所示為表面點(diǎn)在交變力作用下的包辛格效應(yīng)演示，包辛格效應(yīng)認(rèn)為，在多晶體間的殘余應(yīng)力可以促使微觀組織發(fā)生屈服。由于金屬組織的不均勻性和缺陷程度在材料表面體現(xiàn)最明顯，因此表面組織存在微觀屈服強(qiáng)度低于宏觀屈服強(qiáng)度的現(xiàn)象，這就可以解釋在交變應(yīng)力作用下，表面材料屈服點(diǎn)下降，以形成局部的鏈鎖式屈服，發(fā)生表面應(yīng)力釋放。

如圖4所示，證明了該區(qū)域應(yīng)力松弛的存在，在時(shí)效30 min內(nèi)，均有應(yīng)力松弛，#1試樣的應(yīng)力峰值約從-82 MPa下降到-70 MPa，#2試樣的峰值約從-240 MPa下降到-185 MPa，在時(shí)效60 min后，2個(gè)試樣的峰值降幅速度減弱。圖中右坐標(biāo)為松弛率，60 min時(shí)效時(shí)間完成后，#1試樣的最大表面松弛率22%，而#2號(hào)試樣表面松弛率則達(dá)到32%。松弛率隨表面深度的增加而減小，說明VSR對(duì)材料內(nèi)部的影響效果在減弱。

(a) #1試樣

(b) #2試樣

由圖4可知，VSR消減應(yīng)力的程度并不完全取決于時(shí)間，更重要的是與初始應(yīng)力和動(dòng)應(yīng)力的大小有關(guān)，圖4中靠近表面處應(yīng)力松弛越明顯也說明了這一點(diǎn)。就實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看：在最大動(dòng)應(yīng)力117.8 MPa條件下，時(shí)效30 min后，已經(jīng)取得了較為理想的效果，首先，VSR方法能夠降低材料表面殘余應(yīng)力峰值。第二，離表面越遠(yuǎn)應(yīng)力變化越小，在80 μm深度以后幾乎沒有變化，間接說明是表面微觀屈服或微變形造成了應(yīng)力松弛。最后，壓應(yīng)力對(duì)提高材料疲勞強(qiáng)度有益，因此并不需要大量消減壓應(yīng)力，這與焊接件的焊縫應(yīng)力需要大量削減性質(zhì)不同。

2.2 XRD數(shù)據(jù)分析

應(yīng)力松弛可以根據(jù)晶粒大小變化和微觀應(yīng)變的狀況來分析，通過XRD數(shù)據(jù)分析，可以看到應(yīng)力松弛的微觀變化情況。運(yùn)用Voigt方法可得到沿深度方向分布的柯西寬度和高斯寬度，并計(jì)算出相區(qū)大小和微觀應(yīng)變。以2#試樣為例，數(shù)據(jù)分析后如圖5所示，各曲線分別代表了構(gòu)件：未加工表面—銑削—噴丸——VSR后的相區(qū)情況。圖5(a)為晶粒大小沿層深的分布，圖5(b)為層深上微觀應(yīng)變分布。

(a) 晶粒大小

(b) 微應(yīng)變分布

經(jīng)過VSR后，其相區(qū)改變狀況正如前述分析的那樣，30 min時(shí)效后，材料表面特性發(fā)生改變，表面晶粒被進(jìn)一步細(xì)化，晶粒間形變?cè)黾?。而隨著時(shí)間的延長，在60 min后，相域狀況的變化不明顯，這就說明，在這一實(shí)驗(yàn)條件下，30 min時(shí)效時(shí)間對(duì)構(gòu)件表面特性作用效果較好。

2.3 位錯(cuò)與硬化分析

VSR改變的不僅僅是材料的表面應(yīng)力，在包辛格效應(yīng)下，材料被加載-卸載-反向加載，使得表面組織內(nèi)存在微觀變形而應(yīng)力松弛。這種微觀變形的形式和原因主要有晶粒的滑移、晶界處位錯(cuò)塞積與開通。一般地，微觀屈服強(qiáng)度與宏觀屈服強(qiáng)度不同，前者往往由于晶粒缺陷和組織不均勻緣故而比后者要小。

微觀變形如晶?；谱冃螏砦诲e(cuò)的變化。對(duì)#1試樣材料表面取樣后進(jìn)行TEM位錯(cuò)觀察，如圖7所示，位錯(cuò)密度在時(shí)效后逐步增大，在晶界處聚集。無論是銑削加工或是噴丸處理，材料表面都經(jīng)歷了塑性變形，在VSR作用下，原先在晶界處受阻的位錯(cuò)逐步增加，即位錯(cuò)增殖現(xiàn)象，造成在位錯(cuò)這類缺陷區(qū)域形成一定的應(yīng)力集中。當(dāng)交變應(yīng)力能量聚集到一定程度時(shí)，總是能在一定取向上使位錯(cuò)開通，應(yīng)力得到松弛，正如圖4和圖5所示。但在其它取向上，位錯(cuò)依然處于塞積，晶?；萍觿?，形成滑移帶，最終使晶粒碎裂而細(xì)化，形成更多位錯(cuò)，這就出現(xiàn)了材料中位錯(cuò)塞積和開通交互共存的現(xiàn)象。

圖6(a)與(b)、(c)比較中可見，經(jīng)過VSR時(shí)效后位錯(cuò)密度明顯增大，而時(shí)效過長，例如60 min與30 min后比較，并無較大提高，延長時(shí)間對(duì)位錯(cuò)密度的增長并無幫助。這說明當(dāng)晶界位錯(cuò)抗變形能力足以抵抗振動(dòng)交變應(yīng)力時(shí)，振動(dòng)時(shí)間對(duì)時(shí)效效果的改善不明顯。

如上所述，位錯(cuò)密度在晶界上塞積，客觀上導(dǎo)致了此處變形抗力的增強(qiáng)，一定程度上也起到了硬化材料表面的效果。如圖7所示，取#2試樣表層20 μm和80 μm處4ⅹ4 cm區(qū)域，進(jìn)行顯微硬度測試后得到的二維云圖。

圖7(a)表示20 μm深度處中心區(qū)域硬度約為187 HV，時(shí)效后中心區(qū)域硬度提高到約為202 HV和205 HV。圖7(b)表示80 μm深度處中心區(qū)域硬度約為181 HV， 時(shí)效后中心區(qū)域硬度提高到約為196 HV和200 HV。結(jié)果說明VSR將材料表面硬度提高了10%左右。

3 結(jié) 論

(1) 對(duì)常規(guī)工藝下取得的2個(gè)鋁合金薄壁件試樣進(jìn)行VSR實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，在動(dòng)應(yīng)力117.8 MPa作用下，可使材料表面應(yīng)力松弛，其表面應(yīng)力峰值消減了22%～32%，而時(shí)效時(shí)間以30 min為宜。

(2) VSR改變了材料表面特性，使加工后表面材料晶粒進(jìn)一步得到細(xì)化，同時(shí)提高了約10%的表面硬度。材料表面硬化效果加強(qiáng)，在一定程度上又起到了防止表面應(yīng)力進(jìn)一步松弛且穩(wěn)定構(gòu)件形狀的作用。

(3) 從促使應(yīng)力松弛到阻止應(yīng)力松弛，這是表面微觀屈服條件下發(fā)生的晶粒形變-顯微冷作硬化的結(jié)果，客觀上既消減了部分殘余應(yīng)力，同時(shí)又保證了材料具有一定強(qiáng)度的表面壓應(yīng)力。可見，VSR工藝對(duì)改善構(gòu)件表面特性有積極作用。

(a) 沒有VSR

(b) VSR 30 min

(c) VSR 60 min

(a) 20 μm

(b) 80 μm