黃晶晶

(蘇州建設(shè)交通高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校 江蘇 蘇州 215104)

0 引言

在軌道交通領(lǐng)域，鋁合金車(chē)體既能夠滿(mǎn)足車(chē)體所需的剛度和強(qiáng)度，又能夠達(dá)到車(chē)體輕量化的目的。鋁合金車(chē)體優(yōu)點(diǎn)眾多，但在設(shè)計(jì)和制造過(guò)程中鋁合金的疲勞特性、使用壽命、剛度、防腐等問(wèn)題制約著鋁合金材料的發(fā)展。激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)是在金屬材料的表面利用功率較大的沖擊載荷進(jìn)行沖擊，作用時(shí)間短。經(jīng)過(guò)激光沖擊強(qiáng)化后的金屬表面微觀組織存在較大的位錯(cuò)密度和較高的殘余壓應(yīng)力，這使得整體金屬材料的力學(xué)性能發(fā)生改變。在城市軌道交通快速發(fā)展的今天，作為車(chē)體主要材料的鋁合金面臨了巨大的挑戰(zhàn)，因此研究激光沖擊強(qiáng)化對(duì)鋁合金綜合性能的影響勢(shì)在必行。

1 6061-T651鋁合金

目前軌道車(chē)輛中的主要材料是6000系鋁合金，而6061-T651鋁合金由于良好的性能在軌道車(chē)輛中廣泛應(yīng)用。

1.1 化學(xué)成分

6061-T651鋁合金屬于A1-Mg-Si系，是一類(lèi)可熱處理強(qiáng)化的中高強(qiáng)度鋁合金[1]，主要組織物為α-Al和Mg2Si。由于6061-T651鋁合金良好的加工性能、焊接性能使其被廣泛使用。

其主要化學(xué)成分如下：銅，0.15%～0.4%；錳，0.15%；鎂，0.8%～1.2%；鋅，0.25%；鉻，0.04%～0.35%；鈦，0.15%；硅，0.4%～0.8%；鐵，0.7%；其余為鋁。

1.2 力學(xué)性能

6061-T651鋁合金的力學(xué)性能如下：抗拉強(qiáng)度，290 MPa；屈服強(qiáng)度240 MPa；拉伸率，14%。該鋁合金的微觀結(jié)構(gòu)是一個(gè)多晶體，內(nèi)部由許多晶粒構(gòu)成，通常用一定體積內(nèi)的晶粒數(shù)來(lái)計(jì)量平均晶粒的大小。6061-T651鋁合金的強(qiáng)度受晶粒大小的影響很大[2-3]。當(dāng)金屬材料外表面發(fā)生變形時(shí)，往往內(nèi)部細(xì)晶粒分散得比較均勻，表面的塑性變形也更加均勻。相反粗晶粒的金屬表面塑性變形較大，應(yīng)力也比較集中。所以在常溫條件下微觀結(jié)構(gòu)上細(xì)晶粒的金屬材料表現(xiàn)出了良好的硬度、強(qiáng)度和韌性等力學(xué)性能。除此之外，晶粒尺寸越小，單位體積內(nèi)的晶粒數(shù)目越多，相應(yīng)單位體積內(nèi)的晶界表面積越大，并且晶界也越曲折，可以阻礙裂紋的擴(kuò)展。而激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)就是利用激光能量沖擊金屬表面細(xì)化金屬材料的微觀組織，達(dá)到細(xì)晶強(qiáng)化的目的。由此可知，金屬材料單位體積內(nèi)的晶粒數(shù)目越多，晶粒則越小，晶界的面積就越大，強(qiáng)化效果就越好。金屬材料屈服強(qiáng)度和晶粒尺寸的關(guān)系如下[4]：

(1)

式中：σs為屈服強(qiáng)度；σo為派納力；Ks為晶格障礙系數(shù)；d為晶粒尺寸。根據(jù)公式，晶粒尺寸越小，屈服強(qiáng)度越高。

2 激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)

激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)利用短脈沖高峰值功率密度的激光作用于金屬表面，金屬表面發(fā)生塑性變形，表面粗糙度也隨之變化，微觀組織結(jié)構(gòu)也發(fā)生細(xì)化，金屬材料的耐磨性能、抗腐蝕性能發(fā)生改變。其原理如圖1所示。

圖1 激光沖擊強(qiáng)化原理

試驗(yàn)選擇的激光參數(shù)如下：激光脈寬為10 ns，波長(zhǎng)為1 064 nm，約束層的水流厚度為3 mm，吸收層的鋁箔厚度為0.12 mm，光斑為?3 mm，搭接率為50%，激光脈沖能量為6 J。

3 激光沖擊后的6061-T651鋁合金性能分析

3.1 疲勞壽命

疲勞壽命是金屬材料自身抵抗斷裂的性能。對(duì)于6061-T651鋁合金疲勞壽命的界定，主要通過(guò)應(yīng)力循環(huán)產(chǎn)生的裂紋來(lái)衡量。6061-T651鋁合金的裂紋擴(kuò)展大致經(jīng)歷了裂紋開(kāi)始擴(kuò)展階段、裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展階段和裂紋快速擴(kuò)展階段，公式如下：

(2)

式中：C和n是材料常數(shù)；a為裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度；N為對(duì)應(yīng)循環(huán)次數(shù)；da/dN是疲勞裂紋擴(kuò)展速率；K是應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍(MPa·m0.5)。對(duì)公式(3)取對(duì)數(shù)，可得到以下方程：

log(da/dN)=logC+nlog(K)

(3)

在6061-T651鋁合金材料的裂紋開(kāi)始擴(kuò)展階段，da/dN的數(shù)值極?。浑S著應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍K值的不斷增大，da/dN的數(shù)值也隨之增加；到了裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展階段，log(da/dN)與log(K)呈現(xiàn)了一種近似線(xiàn)性的關(guān)系；最后的裂紋快速擴(kuò)展階段，da/dN的數(shù)值則變得極大，而且隨著應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍K值的增大，da/dN的數(shù)值也快速增大。

圖2表示的是在裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展階段log(da/dN)與log(K)之間的關(guān)系。裂紋長(zhǎng)度呈現(xiàn)穩(wěn)定的增長(zhǎng)，激光沖擊的試樣和未經(jīng)激光沖擊的試樣在裂紋擴(kuò)展速率等方面都呈現(xiàn)出不同程度的線(xiàn)性增長(zhǎng)；當(dāng)K值一定時(shí)，未經(jīng)激光沖擊試樣的裂紋擴(kuò)展速率大于激光沖擊試樣；除此之外，由于激光沖擊試樣裂紋擴(kuò)展階段類(lèi)似于直線(xiàn)，且直線(xiàn)的擬合斜率要小于未經(jīng)激光沖擊試樣，故激光沖擊試樣的da/dN裂紋增長(zhǎng)較慢。疲勞壽命與裂紋擴(kuò)展速率的關(guān)系是裂紋擴(kuò)展越快，疲勞壽命越短。所以未經(jīng)激光沖擊試樣的疲勞壽命小于激光沖擊過(guò)后的疲勞壽命。激光沖擊以后6061-T651鋁合金的抗疲勞性能得到大幅提高，主要原因在于激光沖擊過(guò)后金屬表面產(chǎn)生的殘余壓應(yīng)力和部分晶粒的細(xì)化[5]。

圖2 6061-T651鋁合金沖擊前后log(da/dN)隨log(K)的變化

3.2 強(qiáng)度

激光沖擊6061-T651鋁合金前后的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)鐖D3所示。6061-T651鋁合金的原樣與LSP試樣都是隨著應(yīng)變?cè)龃蠖鴳?yīng)力逐漸增加，當(dāng)應(yīng)變達(dá)到某一值時(shí)應(yīng)力呈現(xiàn)穩(wěn)定波動(dòng)狀態(tài)。所以經(jīng)過(guò)激光沖擊的6061-T651鋁合金抗拉強(qiáng)度由原來(lái)的290 MPa增加到390 MPa，增長(zhǎng)幅度達(dá)到34%。強(qiáng)度的增加主要?dú)w功于激光沖擊強(qiáng)化后6061-T651鋁合金表面產(chǎn)生的較大幅值殘余壓應(yīng)力和表面的硬化層。金屬表面的殘余壓應(yīng)力對(duì)于微觀裂紋的產(chǎn)生起到了有效的抑制作用，并且能夠阻礙微觀裂紋的生長(zhǎng)，使得微觀裂紋的擴(kuò)展速率大幅降低，從而提高了激光沖擊的6061-T651鋁合金的斷裂強(qiáng)度[6]。

圖3 6061-T651鋁合金沖擊前后拉伸應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

3.3 抗腐蝕性能

激光沖擊前后6061-T651鋁合金在3.5%溶液腐蝕試樣表面的微觀形貌如圖4所示，白色區(qū)域?yàn)棣?Al)，黑色區(qū)域?yàn)槲龀鱿唳??？梢?jiàn)析出相β分布在晶粒內(nèi)部或者附著在晶界。并且未處理過(guò)的試樣微觀組織分布不均勻，原始組織晶粒比較粗大，析出相β也在晶內(nèi)或沿晶界呈不均勻分布。而經(jīng)過(guò)激光沖擊處理后晶粒尺寸變小且分布均勻，析出相β也顯著減少，并且β相的尺寸也變小。如圖4(b)所示。在電化學(xué)腐蝕中，鋁合金中的α相作為陽(yáng)極，其他的相作為陰極，α相表現(xiàn)比較活潑，這兩者之間形成腐蝕電偶。最終腐蝕電偶加速α相的腐蝕，從而對(duì)于整個(gè)基體產(chǎn)生了腐蝕[7-10]。

圖4 激光沖擊前后6061-T651鋁合金的微觀形貌

圖5呈現(xiàn)的是6061-T651鋁合金經(jīng)過(guò)激光沖擊前后在3.5% NaCl溶液中浸泡半小時(shí)的阻抗譜。阻抗譜中電容阻抗半徑的大小與金屬抗腐蝕性能的關(guān)系是正相關(guān)。圖5顯示電容阻抗半徑較大的是經(jīng)過(guò)激光沖擊強(qiáng)化的試樣。在試驗(yàn)過(guò)程中把試樣放入NaCl溶液一定時(shí)間后，試樣表面會(huì)出現(xiàn)氣泡，這是6061-T651鋁合金表面開(kāi)始腐蝕溶解的信號(hào)。鋁作為活性較高的金屬，在常溫下鋁合金的表面存在一層鈍化膜，所以6061-T651鋁合金的抗腐蝕能力在很大程度上取決于該鈍化膜Al(OH)3的性質(zhì)。6061-T651鋁合金鈍化膜的反應(yīng)式如下：

2Al+6H2O→2Al(OH)3+3H2

(4)

鈍化膜對(duì)通過(guò)其表面的離子有阻礙作用，所以金屬陽(yáng)離子和金屬陰離子不能順利而快速地通過(guò)鈍化膜。NaCl溶液中的氯離子對(duì)鈍化膜有破壞作用，而鋁合金內(nèi)部的氯離子可以修復(fù)鈍化膜，所以該鈍化膜在NaCl溶液中不斷進(jìn)行自我修復(fù)，減緩了鋁合金的腐蝕進(jìn)程。當(dāng)6061-T651鋁合金被激光沖擊強(qiáng)化過(guò)后，6061-T651鋁合金金屬表面的鈍化膜更加穩(wěn)定，不容易被氯離子破壞。這主要是由于沖擊后的金屬表面存在的壓應(yīng)力與鈍化膜生長(zhǎng)出現(xiàn)的拉應(yīng)力相互抵消。從微觀結(jié)構(gòu)方面觀察，激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)會(huì)使得6061-T651鋁合金內(nèi)部產(chǎn)生大量的位錯(cuò)，正是這些位錯(cuò)使得鈍化膜更加致密，加大了離子通過(guò)鈍化膜的阻力，從而增強(qiáng)了鈍化膜的自動(dòng)修復(fù)能力，最終宏觀上提高了6061-T651鋁合金的抗腐蝕能力[11-12]。

圖5 激光沖擊前后試樣在3.5% NaCl溶液中的阻抗譜

4 結(jié)論

由于激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)金屬表面產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力和金屬微觀結(jié)構(gòu)上的晶粒細(xì)化，使得激光沖擊以后6061-T651鋁合金的抗疲勞性大幅提高。

激光沖擊6061-T651鋁合金表面發(fā)生位錯(cuò)能夠使鈍化膜更加厚實(shí)和致密，增大離子進(jìn)出鈍化膜的阻力。并且能夠使6061-T651鋁合金表面產(chǎn)生較大的壓應(yīng)力，促進(jìn)了鈍化膜破壞后的再修復(fù)。結(jié)合兩者，激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)增強(qiáng)了6061-T651鋁合金的抗腐蝕能力。

軌道車(chē)輛的車(chē)體作為容納乘客和司機(jī)的場(chǎng)所，它的性能直接影響軌道車(chē)輛整體的運(yùn)營(yíng)安全。鋁合金車(chē)體主體結(jié)構(gòu)一般是大型的擠壓型材，這種一體化結(jié)構(gòu)的鋁合金車(chē)體相對(duì)于碳素鋼車(chē)體焊接量少，制造工藝簡(jiǎn)化，極大地減輕了車(chē)體的自重。如果采用激光強(qiáng)化后的6061-T651鋁合金，擠壓成型工藝可以相對(duì)減輕，構(gòu)件的剛度得到提高，材料的承載能力可以得到充分的發(fā)揮。激光沖擊強(qiáng)化后的6061-T651鋁合金車(chē)體對(duì)整個(gè)車(chē)輛的結(jié)構(gòu)、性能、制造、使用、維修以及經(jīng)濟(jì)性等都將產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。