CN105259059B - 激光喷丸强化提高材料抗微动疲劳性能的对比试验方法及试样夹紧装置 - Google Patents

Abstract

一种激光喷丸强化提高材料抗微动疲劳性能的对比试验方法及试样夹紧装置，所述的装置包括夹紧装置、压紧金属片、测力元件、圆环面微动垫和经过表面改性的试样等。发明方法为首先在待测圆棒试样的整圆周侧面区域进行激光喷丸强化，作为对比，在其轴向相邻位置预留不做任何处理的试验区，四个半圆环面微动垫将两个试验区域贴合包围，压紧金属片通过夹紧装置给微动垫施加可控均匀的接触载荷。通过该装置可在具有相同测试参数的面‑面接触拉扭复合疲劳试验条件下，根据圆棒试样不同试验阶段的裂纹萌生与扩展情况，实现未处理区域与经过激光喷丸强化区域抗微动疲劳性能的对比。

Description

激光喷丸强化提高材料抗微动疲劳性能的对比试验方法及试 样夹紧装置

技术领域

本发明涉及一种材料改性技术，尤其是一种激光表面强化以及微动疲劳试验技术，具体地说是一种激光喷丸强化提高材料抗微动疲劳性能的对比试验方法及试样夹紧装置。

背景技术

目前，在航空航天、汽车制造、船舶制造等领域，其关键零件大多数服役于机械振动、交变疲劳载荷和热循环等复杂多样环境中，这将导致通过螺栓连接、铆接、燕尾榫连接以及过盈配合等方式紧固接触零件之间产生位移量在几十微米的相对位移——微动。在法向载荷的作用下，接触表面上的微动会产生切向交变应力，致使微动疲劳裂纹产生萌生和扩展。微动疲劳在工业中十分普遍，通常出现在接触表面之间而不易被发现与检测，但是它会促使和加速疲劳裂纹的产生和进一步扩展，严重影响机器设备的服役寿命，甚至造成灾难性的后果。因此对微动疲劳的机理以及防范措施的研究具有重要意义，目前对于微动疲劳的研究大多数集中在拉压、扭转或弯曲单轴疲劳载荷下进行，各种载荷形式的复合相对较少。然而，实际的零件工作环境却较为复杂，单纯单轴疲劳载荷的研究难以发现和解决接触区域的多轴非比例疲劳载荷的状态。

表面改性技术是提高材料抗微动疲劳性能最有效的途径之一。诸如涂层技术、离子注入技术、预氧化技术以及表面强化等表面改性技术已经相对成熟地运用到工程实际之中，然而这些现有技术均存在一些弊端，渗氮处理会有产生氢脆的风险，热喷涂的过程中表面会过热，离子注入技术的深度较浅，涂层技术的结合力低。激光喷丸作为新型的表面强化的技术，对其的研究和应用已经较为深入，相对于传统的表面改性技术可以获得较深的强化影响层和较好的稳定性，但是目前激光喷丸强化在抗微动疲劳方面的应用还没有普及，所以很有必要进行激光喷丸后材料抗疲劳性能的研究，并且通过试验对比更为全面地了解激光喷丸强化在这方面的优越性。

微动疲劳过程中，两个接触面、法向载荷和微动为三个必要条件。试验中，两个接触面通过微动垫实现，微动垫上施加法向载荷（目前主要有应力环法、液压加载法和重力法施加法向载荷），与试样紧密接触。试样在交变载荷的作用下产生应变，从而产生微动疲劳效应。目前，微动疲劳试验大多采用桥式微动垫，但由于桥式微动垫刚度不足，使得试样与微动垫的接触条件难以描述。此外，微动疲劳试验装置针对作用于试样上的不同交变载荷形式，其结构形式各有其特点。目前，大多数的微动疲劳试验装置都局限于单轴疲劳载荷，尤其拉压疲劳载荷下的微动疲劳最为普遍。公开号CN102087186A的中国专利“微动疲劳实验平台”通过旋转加载螺钉，给压头和试样施加可测接触力，完成微动微动疲劳试验，该装置只能进行局限于单轴载荷情况下拉压微动疲劳试验。然而，工程实际中一些零部件通常在多轴复合载荷的作用下产生微动疲劳，目前已经出现了为数不多的多轴复合载荷下微动疲劳试验装置。公开号CN103938135A的中国专利“一种点接触式微动疲劳试验装置及试验方法”通过调节加载螺栓对微动桥加载压力，配合疲劳试验机可以实现对拉压、扭转和拉扭复合微动疲劳的研究。该装置虽然可以满足多轴载荷的复合，但是工程实际更多是式面-面接触形式而不是点接触，而且点接触对于微动垫和样件的安装提出更高的要求。

综上所述，若能够通过试验方式对比分析，在面-面接触的拉扭复合微动疲劳试验条件下，研究激光喷丸强化提高材料的抗微动疲劳性能，必将进一步推广激光喷丸强化在微动疲劳领域的应用。

发明内容

本发明的目的是针对现有的激光喷丸强化材料抗微动疲劳性能试验存在的受力方向单一，不能全面反映零件实际受力状态而造成试验准确性差的问题，发明一种激光喷丸强化提高材料抗微动疲劳性能的对比试验方法，同时提供一种为满足该试验方法所使用的试样夹紧装置。

本发明的技术方案是之一：

一种激光喷丸强化提高材料抗微动疲劳性能的对比试验方法，其特征在于：在圆棒试样上进行局部区域激光喷丸强化处理作为激光喷丸区域，作为对比，在轴向相邻的位置预留未经过表面改性处理的区域作为试验对比区域，然后在对应的激光喷丸区域和试验对比区域分别布置微动垫，控制两个微动垫之间的轴向间隔为5~10 mm，并且通过夹紧装置施加50~150 MPa的可控均匀接触法向载荷，在疲劳试验机上给圆棒试样施加拉压、扭转或拉扭复合的交变应力，产生微动疲劳效应；对比经过激光喷丸强化和未经过表面处理区域在不同试验阶段裂纹的萌生及扩展情况，分析得到激光喷丸强化对试样抗微动疲劳性能的提升作用。

上述方法的具体步骤为：

1）在待测圆棒试样1的整圆周侧面区域进行激光喷丸强化处理作为激光喷丸区域，作为试验对比，在其轴向相邻位置预留有未经任何表面处理的区域作为试验对比区域；

2）在所述的激光喷丸区域和试验对比区域分别布置半圆环面微动垫2，其内圆弧半径与圆棒试样1的半径相等，四个半圆环面微动垫2将两个试验区域贴合包围，控制两组微动垫之间的轴向间隔为5~10 mm；

3）利用压紧金属片3与半圆环面微动垫2紧密贴合，夹紧压紧金属片3以固定半圆环面微动垫2在圆棒试样1上的位置；

4）利用测力元件4测量夹紧装置施加于压紧金属片3端部的接触压力F，作用在半圆环面微动垫2上的法向载荷P Pa 与F (N满足以下关系：

式中，R为半圆环面微动垫2外圆弧半径，b为微动垫的宽度；

5）转动螺纹杆12，通过夹紧装置拉紧压紧金属片3，从而给半圆环面微动垫2施加50~150 MPa可控均匀法向接触载荷；

6）将圆棒试样1装夹至疲劳试验机，加载拉伸、扭转或拉扭复合交变疲劳载荷进行多组试验，分别在循环次数为试样总寿命的0.5%-70%时中断试验至少7次，直到循环试验次数达到试样总寿命的70%，若未达到设定的循环次数但监测到裂纹长度达到1~2mm时也同样中断试验；

7）切开试样，借助扫描电镜观察每组试验的试样与微动垫接触的微动区域，分析微动损伤、裂纹萌生部位和大小，对比研究得到激光喷丸强化对试样抗微动疲劳性能的影响力。

所述的激光喷丸强化处理的主要参数为：激光功率密度为2 GW/cm²，光斑直径为2mm，光斑搭接率为50%~75%。

所述的半圆环面微动垫2的材质与圆棒试样1相同，厚度为1.5-2.5 mm，宽度为4-6mm，其内圆弧半径与圆棒试样1的半径相同，在其表面施加法向载荷，使圆棒试样1的在交变载荷的作用下产生微动疲劳。

所述的压紧金属片3内侧涂有润滑材料15，以减小与半圆环面微动垫2之间的切向作用力，选用石墨粉作为润滑材料。

所述的将圆棒试样1装夹至疲劳试验机,加载拉伸、扭转或拉扭复合交变疲劳载荷进行多组试验,分别在循环次数为试样总寿命的0.5%、2%、5%、10%、20%、30%、50%和70%时中断试验，若未达到设定的循环次数但监测到裂纹长度达到1~2mm时也同样中断试验。

本发明的技术方案是之二：

一种激光喷丸强化提高材料抗微动疲劳性能的对比试验用试样夹紧装置，其特征在于它包括半圆环面微动垫2、压紧金属片3、测力元件4、螺钉5、主夹紧块6、主拉紧销7、销钉8、副夹紧块9、副拉紧销10、定位垫片11和螺纹杆12，两组半圆环面微动垫2的一组紧贴在圆棒试样1表面的激光喷丸区域，另一组紧贴在试验对比区域上，两组半圆环面微动垫2之间的距离为5~10 mm，两个半环形压紧金属片3错位贴装在两组半圆环面微动垫2上，一个压紧金属片3的两端通过螺钉5安装在两个主夹紧块6，另一个压紧金属片3的两端通过螺钉5安装在副夹紧块9上。压紧金属片3的内侧涂有润滑材料15（见图5），以减小与半圆环面微动垫2之间的切向作用力，选用石墨粉作为润滑材料；带有销孔的主夹紧块6和副夹紧块9通过销钉8连接实现转动，相对于销钉的另一端安装有测力元件4，测力元件4用于测量两个压紧金属片3相向运动时所受的挤压力F；主拉紧销7和副拉紧销8分别嵌入主夹紧块6和副夹紧块9的销孔中，定位垫片11将其轴向固定，螺纹杆12与主拉紧销7和副拉紧销10上的螺纹孔配合；四个半圆环面微动垫2分别把经过处理过的圆棒试样1的两个区域紧密贴合，转动螺纹杆12使主夹紧块6和副夹紧块9闭合，从而使压紧金属片3给半圆环面微动垫2施加50~150MPa的可控接触压力，该可控接触压力由测力元件4测量并显示。

所述的激光喷丸区域13和试验对比区域14表面喷涂有润滑材料15。

所述的主拉紧销7和副拉紧销10上螺纹孔的旋向相反。

在主夹紧块6与对应的压紧金属片3以及副夹紧块9与对应压紧金属片3 之间均安装在测力元件4。

本发明的有益效果：

(1)对试样中激光喷丸强化区域和未处理对比区域进行微动疲劳试验，可以保证试验区域在相同试验条件下(相同接触压力、交变载荷、频率等)进行，对比试验区域在不同试验阶段裂纹的萌生及扩展情况，研究激光喷丸强化对试样抗微动疲劳性能的影响。

(2)通过夹紧装置拉紧金属片，给微动垫施加法向载荷，可以使圆棒试样表面受到均匀的接触压力。

(3)该装置能够实现面-面接触拉压、扭转以及拉扭复合的多轴载荷作用的微动疲劳试验。

附图说明

图1是本发明的激光喷丸强化提高材料抗微动疲劳性能的对比试验用试样装夹状态的结构示意图。

图2是本发明的夹紧装置的结构示意图。

图3是本发明的圆棒试样预先处理区域及微动垫安放位置示意图。

图4是本发明的压紧金属片受力示意图。

图5是本发明的压紧金属片示意图。

图中：1.圆棒试样、2.半圆环面微动垫、3.压紧金属片、4.测力元件、5.螺钉、6.主夹紧块、7.主拉紧销、8.销钉、9.副夹紧块、10.副拉紧销、11.定位垫片、12.螺纹杆、13.激光喷丸区域、14.试验对比区域、15.润滑材料。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

实施例一。

如图1-5所示。

一种激光喷丸强化提高材料抗微动疲劳性能的对比试验方法，其具体步骤在于：

1）在待测圆棒试样1的整圆周侧面区域进行激光喷丸强化处理形成强化喷丸区13，作为试验对比，在其轴向相邻位置预留有未经表面处理区域作为试验对比区域14，如图3所示；

2）如图2所示，在两个试验区域分别布置微动垫2，其内圆弧半径与圆棒试样1的半径相等，四个半圆环面微动垫将两个试验区域贴合包围，两组微动垫之间的轴向间隔为5~10 mm；

3）压紧金属片3与半圆环面微动垫2紧密贴合，夹紧时可固定半圆环面微动垫2在圆棒试样1上的位置，并错位安装；

4）利用测力元件4测量夹紧装置施加于压紧金属片3端部的接触压力F，如图4所示，通过模型理想化，作用在半圆环面微动垫2上的法向载荷P (Pa)与F (N)满足以下关系：

；如图4所示；

5）转动螺纹杆12，通过夹紧装置拉紧压紧金属片3，从而给半圆环面微动垫2施加50~150 MPa可控均匀法向接触载荷；

6）将圆棒试样1装夹至疲劳试验机，加载拉伸、扭转或拉扭复合交变疲劳载荷进行多组试验，分别在循环次数为试样总寿命的0.5%、2%、5%、10%、20%、30%、50%和70%时中断试验，若未达到设定的循环次数但监测到裂纹长度达到1~2 mm时也同样中断试验；

7）切开试样，借助扫描电镜观察每组试验的试样微动区域(与微动垫接触区域)，分析微动损伤和裂纹萌生部位和大小，对比研究激光喷丸强化对提高试样抗微动疲劳性能的影响。

以Ti-6Al-4V圆棒试样进行激光喷丸强化提高材料抗微动疲劳性能的对比试验为例。具体过程为：首先，对Ti-6Al-4V圆棒试样选定区域进行激光喷丸强化处理，设置激光的参数：激光功率密度为2 GW/cm²，光斑直径为2 mm，光斑搭接率为75%。在试样上激光喷丸强化区域轴向相邻位置预留未经表面处理区域。将四个半圆环面微动垫紧密贴合地布置在上述两个试验区域，两组微动垫之间的轴向间隔为5 mm。在压紧金属片的内侧涂覆石墨粉作为润滑层，以减小压紧微动垫时的切向力，使得微动垫受到的法向接触载荷更加均匀。跨过主、副夹紧块上的测力元件，固定好压紧金属片。拧紧螺纹杆，通过测力元件控制施加90MPa的均布法向接触载荷。然后，在MTS-809拉扭组合电液伺服材料试验机上向圆棒试样施加应力比R为0.1，峰值为40 KN的交变拉应力。按照上述步骤进行多组试验，分别在循环次数为试样总寿命（Ti-6Al-4V的总疲劳寿命为10⁷）的0.5%、2%、5%、10%、20%、30%、50%和70%时中断试验，若未达到设定的循环次数但监测到裂纹长度达到1~2 mm时也同样中断试验。试验完成后，切开试样，借助扫描电镜观察每组试验的试样微动区域(与微动垫接触区域)，分析微动损伤、裂纹萌生部位和大小，对比研究激光喷丸对提高试样抗微动疲劳性能的影响。

实施例二

如图1-3所示。

一种激光喷丸强化提高材料抗微动疲劳性能对比试验用试样夹紧装置，如图2所示，它包括：它包括半圆环面微动垫2、压紧金属片3、测力元件4、螺钉5、主夹紧块6、主拉紧销7、销钉8、副夹紧块9、副拉紧销10、定位垫片11和螺纹杆12，两组半圆环面微动垫2的一组紧贴在圆棒试样1表面的激光喷丸区域13，另一组紧贴在试验对比区域14上（如图3），两组半圆环面微动垫2之间的距离为5~10 mm，两个半环形压紧金属片3错位贴装在两组半圆环面微动垫2上，一个压紧金属片3的两端通过螺钉5安装在两个主夹紧块6，另一个压紧金属片3的两端通过螺钉5安装在副夹紧块9上；带有销孔的主夹紧块6和副夹紧块9通过销钉8连接实现转动，相对于销钉的另一端安装有测力元件4，测力元件4用于测量两个压紧金属片3相向运动时所受的挤压力F；主拉紧销7和副拉紧销8分别嵌入主夹紧块6和副夹紧块9的销孔中，定位垫片11将其轴向固定，螺纹杆12与主拉紧销7和副拉紧销10上的螺纹孔配合；四个半圆环面微动垫2分别把经过处理过的圆棒试样1的两个区域紧密贴合，转动螺纹杆12使主夹紧块6和副夹紧块9闭合，从而使压紧金属片3给半圆环面微动垫2施加50~150 MPa的可控接触压力，该可控接触压力由测力元件4测量并显示。夹紧后的状态如图1所示。带有销孔的主夹紧块6和副夹紧块9通过销钉8连接实现转动，相对销钉的另一端安装有测力元件4；主拉紧销7和副拉紧销8分别插入主夹紧块6和副夹紧块9中，定位垫片11将其轴向固定，螺纹杆12与主拉紧销7和副拉紧销10上的螺纹孔配合；压紧金属片3两端跨过测力元件4通过螺钉5分别与主夹紧块6和副夹紧块9连接；四个半圆环面微动垫2分别将圆棒试样1的两个区域13和14紧密贴合，通过压紧金属片3对其施加一定的接触压力。

其中主拉紧销7和副拉紧销10上螺纹孔的旋向相反以便实现主副夹紧块的相向运动。

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (10)

1.一种激光喷丸强化提高材料抗微动疲劳性能的对比试验方法，其特征在于：在圆棒试样上进行局部区域激光喷丸强化处理作为激光喷丸区域，作为对比，在轴向相邻的位置预留未经过表面改性处理的区域作为试验对比区域，然后在对应的激光喷丸区域和试验对比区域分别布置微动垫，控制两个微动垫之间的轴向间隔为5~10 mm，并且通过夹紧装置施加50~150 MPa的可控均匀接触法向载荷，在疲劳试验机上给圆棒试样施加拉压、扭转或拉扭复合的交变应力，产生微动疲劳效应；对比经过激光喷丸强化和未经过表面处理区域在不同试验阶段裂纹的萌生及扩展情况，分析得到激光喷丸强化对试样抗微动疲劳性能的提升作用。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于它包括以下步骤：

在待测圆棒试样(1)的整圆周侧面区域进行激光喷丸强化处理作为激光喷丸区域，作为试验对比，在其轴向相邻位置预留有未经任何表面处理的区域作为试验对比区域；

在所述的激光喷丸区域和试验对比区域分别布置半圆环面微动垫(2)，其内圆弧半径与圆棒试样(1)的半径相等，四个半圆环面微动垫(2)将两个试验区域贴合包围，控制两组微动垫之间的轴向间隔为5~10 mm；

利用压紧金属片(3)与半圆环面微动垫(2)紧密贴合，夹紧压紧金属片(3)以固定半圆环面微动垫(2)在圆棒试样(1)上的位置；

利用测力元件(4)测量夹紧装置施加于压紧金属片(3)端部的接触压力F，作用在半圆环面微动垫(2)上的法向载荷P (Pa) 与F (N)满足以下关系：

式中，R为半圆环面微动垫(2)外圆弧半径，b为微动垫的宽度；

转动螺纹杆(12)，通过夹紧装置拉紧压紧金属片(3)，从而给半圆环面微动垫(2)施加50~150 MPa可控均匀法向接触载荷；

将圆棒试样(1)装夹至疲劳试验机，加载拉伸、扭转或拉扭复合交变疲劳载荷进行多组试验，分别在循环次数为试样总寿命的0.5%-70%时中断试验至少7次，直到循环试验次数达到试样总寿命的70%，若未达到设定的循环次数但监测到裂纹长度达到1~2mm时也同样中断试验；

切开试样，借助扫描电镜观察每组试验的试样与微动垫接触的微动区域，分析微动损伤、裂纹萌生部位和大小，对比研究得到激光喷丸强化对试样抗微动疲劳性能的影响力。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征是所述的激光喷丸强化处理的主要参数为：激光功率密度为2 GW/cm²，光斑直径为2 mm，光斑搭接率为50%~75%。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征是所述的半圆环面微动垫(2)的材质与圆棒试样(1)相同，厚度为1.5-2.5 mm，宽度为4-6 mm，其内圆弧半径与圆棒试样(1)的半径相同，在其表面施加法向载荷，使圆棒试样(1)的在交变载荷的作用下产生微动疲劳。

5.根据权利要求2所述的方法，其特征是所述的压紧金属片(3)内侧涂有润滑材料(15)，以减小与半圆环面微动垫(2)之间的切向作用力。

6.根据权利要求2所述的方法，其特征是将圆棒试样(1)装夹至疲劳试验机，加载拉伸、扭转或拉扭复合交变疲劳载荷进行多组试验，分别在循环次数为试样总寿命的0.5%、2%、5%、10%、20%、30%、50%和70%时中断试验，若未达到设定的循环次数但监测到裂纹长度达到1~2mm时也同样中断试验。

7.一种激光喷丸强化提高材料抗微动疲劳性能的对比试验用试样夹紧装置，其特征在于它包括半圆环面微动垫(2)、压紧金属片(3)、测力元件(4)、螺钉(5)、主夹紧块(6)、主拉紧销(7)、销钉(8)、副夹紧块(9)、副拉紧销(10)、定位垫片(11)和螺纹杆(12)，两组半圆环面微动垫(2)的一组紧贴在圆棒试样(1)表面的激光喷丸区域，另一组紧贴在试验对比区域上，两组半圆环面微动垫(2)之间的距离为5~10 mm，两个半环形压紧金属片(3)错位贴装在两组半圆环面微动垫(2)上，一个压紧金属片(3)的两端通过螺钉(5)安装在两个主夹紧块(6)，另一个压紧金属片(3)的两端通过螺钉(5)安装在副夹紧块(9)上；带有销孔的主夹紧块(6)和副夹紧块(9)通过销钉(8)连接实现转动，相对于销钉的另一端安装有测力元件(4)，测力元件(4)用于测量两个压紧金属片(3)相向运动时所受的挤压力F；主拉紧销(7)和副拉紧销(10)分别嵌入主夹紧块(6)和副夹紧块(9)的销孔中，定位垫片(11)将其轴向固定，螺纹杆(12)与主拉紧销(7)和副拉紧销(10)上的螺纹孔配合；四个半圆环面微动垫(2)分别把经过处理过的圆棒试样(1)的两个区域紧密贴合，转动螺纹杆(12)使主夹紧块(6)和副夹紧块(9)闭合，从而使压紧金属片(3)给半圆环面微动垫(2)施加50~150 MPa的可控接触压力，该可控接触压力由测力元件(4)测量并显示。

8.根据权利要求7所述的试样夹紧装置，其特征是所述的激光喷丸区域(13)和试验对比区域(14)表面喷涂有润滑材料(15)。

9.根据权利要求7所述的试样夹紧装置，其特征是所述的主拉紧销(7)和副拉紧销(10)上螺纹孔的旋向相反。

10.根据权利要求7所述的试样夹紧装置，其特征是在主夹紧块(6)与对应的压紧金属片(3)以及副夹紧块(9)与对应压紧金属片(3) 之间均安装有测力元件(4)。