CN115945873A

CN115945873A - 一种预拉伸与表面机械滚压复合提升材料疲劳性能的方法

Info

Publication number: CN115945873A
Application number: CN202310218415.5A
Authority: CN
Inventors: 闫志峰; 王树邦; 张锦文; 张红霞; 王之香; 王文先
Original assignee: Taiyuan University of Technology
Current assignee: Taiyuan University of Technology
Priority date: 2023-03-09
Filing date: 2023-03-09
Publication date: 2023-04-11
Anticipated expiration: 2043-03-09
Also published as: CN115945873B

Abstract

本发明属于金属材料疲劳性能强化的技术领域，具体涉及一种预拉伸与表面机械滚压复合提升材料疲劳性能的方法。为了提升金属材料在超高周循环载荷作用下的断裂强度，本发明提供一种预拉伸与表面机械滚压复合提升材料疲劳性能的方法，通过将金属材料进行预拉伸变形处理后，再利用表面机械滚压系统在材料表面进行表面机械滚压处理，同时改善材料的表面与内部状态，进而从控制材料表面裂纹萌生到阻碍裂纹在材料内部扩展实现金属材料疲劳性能的综合提升。

Description

一种预拉伸与表面机械滚压复合提升材料疲劳性能的方法

技术领域

本发明属于金属材料疲劳性能强化技术领域，涉及一种预拉伸与表面机械滚压复合提升材料疲劳性能的方法。

背景技术

在结构材料技术领域，结构部件在服役过程中不可避免承受循环载荷作用，疲劳断裂是结构部件最常见的失效形式之一，疲劳失效会造成生命财产的严重损失。因此，如何提升结构部件的疲劳强度是工程中的重要研究方向。

目前提高材料疲劳强度的方法主要包括以下两方面：一方面，由于疲劳裂纹萌生主要集中于材料表面，采用表面强化方法（如超声冲击、表面滚压或者表面研磨等表面处理方法）可以提高材料疲劳性能，但是表面强化的同时会造成疲劳裂纹源向材料内部转移，造成内部材料相对弱化的问题；另一方面，采用预拉伸、预压缩或者预疲劳的方法提升材料的疲劳性能，但是这些方法强化了材料内部组织性能，但对材料表面疲劳裂纹萌生没有影响。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术中的不足，进一步提升金属材料的疲劳强度，本发明提供一种预拉伸与表面机械滚压复合提升材料疲劳性能的方法。

本发明的设计构思为：利用预拉伸变形的应变硬化效果，提升内部材料的力学性能，在材料内部引入一定程度的晶界及位错塞积，阻碍循环变形过程中的裂纹扩展过程；在此基础上，利用表面机械滚压的方式，在材料的表面施加压应力，材料表层的晶粒产生明显的晶粒细化，材料表面粗糙度明显下降，增大循环变形过程中裂纹源在表面萌生的难度，通过综合控制疲劳载荷下裂纹萌生与裂纹扩展行为，使材料的疲劳性能大幅提升。

为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

一种预拉伸与表面机械滚压复合提升材料疲劳性能的方法，包括以下步骤：

S1、采用轧态镁合金板材制备标准疲劳试样，并将标准疲劳试样表面打磨光滑；

S2、制备预拉伸变形试件：将步骤S1制得的标准疲劳试样进行预拉伸变形处理，预拉伸变形量为标准疲劳试样标距长度的3%~5%，拉伸变形速率为1mm/min；利用拉伸变形的应变硬化作用，在材料内部引入一定程度的晶界与位错塞积，优化材料的力学性能；拉伸变形量控制材料力学性能的强化效果，变形量小于2%，强化程度较弱，变形量大于5%，材料内部出现变形缺陷；

S3、表面机械滚压处理：对预拉伸变形试件进行多道次的表面机械滚压处理，表面机械滚压道次为3~5道次，单道次滚压压下量为40μm~50μm，总下压量为150μm~250μm，制得具有更高疲劳强度的金属材料，压下量较小表层无法形成明显的晶粒细化层，压下量较大，材料表面出现微小缺陷。表面机械滚压处理不仅可以增加材料表面的光洁度，而且利用表面机械滚压的下压力在材料表面引入残余压应力，并制备表面梯度细晶组织，实现材料表面强化。

进一步的，在所述步骤S1中，轧态镁合金板材的材质为AZ31B镁合金，轧态镁合金板材的厚度为40mm。

与现有技术相比本发明的有益效果为：

1、本发明利用预拉伸变形的应变硬化作用，材料的屈服强度和抗拉强度得到明显提升。对材料不产生破坏的同时在材料内部引入晶界增殖现象与位错塞积现象，增大材料在循环变形过程裂纹扩展的阻力，提升材料抵抗疲劳破坏的能力；

2、本发明利用表面机械滚压的方式对材料进行表面处理，材料粗糙度明显降低，表面机械滚压对材料表面施加压应力并制备了一层梯度化细晶组织，残余压应力的引入增大疲劳裂纹源的萌生难度，梯度化细晶组织强化材料表面的力学性能，疲劳裂纹源难以从材料表面萌生，进而疲劳裂纹源萌生位置向内部迁移，疲劳裂纹源处在材料内部时，裂纹扩展难度增大，材料抵抗疲劳破坏的能力增强；

3、将预拉伸变形与表面机械滚压的方式有效结合，利用表面机械滚压的方式疲劳裂纹源难以在材料表面萌生，裂纹源内移现象是对疲劳裂纹扩展过程的第一次削弱，预拉伸变形硬化材料内部组织，位错和晶界的作用，有效阻碍疲劳裂纹扩展，对疲劳裂纹扩展行为进行第二次削弱。复合两种强化方式，实现材料由内到外综合控制疲劳裂纹萌生及扩展行为，疲劳强度值提升约66.6%，同载荷下材料循环变形次数提升1~3个数量级。

附图说明

图1为本发明预拉伸与表面机械滚压复合提升材料疲劳性能的方法流程图；

图2为标准疲劳试样主视图；

图3为标准疲劳试样侧视图；

图4为预拉伸变形试验系统结构示意图；

图5为表面机械滚压系统结构示意图；

图6为疲劳试验系统结构示意图；

图7为轧态镁合金板材微观组织EBSD图；图中，图7a）为原始组织EBSD图，图7b）为预拉伸变形组织EBSD图，图7c）为预拉伸变形与表面机械滚压后组织EBSD图，图7d）为预拉伸变形与表面机械滚压复合处理后组织EBSD图；

图8为实施例所用的镁合金试件拉伸曲线；

图9为本发明实施例所用的镁合金试件S-N曲线。

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详细描述。

如图1所示的一种预拉伸与表面机械滚压复合提升材料疲劳性能的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、根据GB/T6398-2000标准，利用线切割或者数控车床沿平行于轧制方向将厚度为40mm的轧态AZ31B镁合金板材制备成标准疲劳试样，标准疲劳试样形貌如图2、图3所示；然后，依次用800目、1000目、1500目和2000目砂纸与棉布将试样表面打磨光滑，粗糙度Ra达到0.32-0.63μm，用乙醇擦拭疲劳试样，使试样表面洁净；

S2、制备预拉伸变形试件：如图4所示，采用电液伺服疲劳试验机静载模块将步骤S1制得的标准疲劳试样进行预拉伸变形处理，拉伸变形速率为1mm/min，利用引伸计测定拉伸变形量，当拉伸变形量达到试样标距长度的5%时，终止预拉伸变形，制得预拉伸变形试件；

S3、表面机械滚压处理：如图5所示，在数控车床内利用WC/Co滚压装置对预拉伸变形试件进行表面机械滚压处理，表面机械滚压道次为5道次，单道次滚压压下量为40μm，总下压量为150μm~250μm，制得具有更高疲劳强度的金属材料。

对本具体实施方式制得的具有更高疲劳强度的金属材料进行拉伸试验检测以及疲劳试验检测。

1）、拉伸试验：如图6所示，对未经强化处理的试样、只进行预拉伸变形处理的试样、只进行表面滚压处理的试样和预拉伸与表面机械滚压处理后的试样进行拉伸试验，结果如下表1所示。

拉伸试验后组织形貌EBSD图如图7所示，其中，图7a）为原始组织，图7b）为预拉伸变形组织，图7c）为仅进行表面机械滚压后组织，图7d）为预拉伸变形与表面机械滚压复合处理后组织。

拉伸试验数据处理：对拉伸试验结果进行整理，得到拉伸曲线，如图8所示。

2）、疲劳试验：对未经强化处理的试样、只进行预拉伸变形处理的试样、只进行表面滚压处理的试样和预拉伸与表面机械滚压处理后的试样进行不同应力水平的疲劳试验，结果如下表2所示。

疲劳性能结果分析：对疲劳试验结果进行整理，得到传统疲劳S-N曲线，如图9所示。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims

1.一种预拉伸与表面机械滚压复合提升材料疲劳性能的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S2、制备预拉伸变形试件：将步骤S1制得的标准疲劳试样进行预拉伸变形处理，预拉伸变形量为标准疲劳试样标距长度的3%~5%，拉伸变形速率为1mm/min；

S3、表面机械滚压处理：对预拉伸变形试件进行多道次的表面机械滚压处理，表面机械滚压道次为3~5道次，单道次滚压压下量为40μm~50μm，总下压量为150μm~250μm，制得具有更高疲劳强度的金属材料。

2.根据权利要求1所述的一种预拉伸与表面机械滚压复合提升材料疲劳性能的方法，其特征在于：在所述步骤S1中，轧态镁合金板材的材质为AZ31B镁合金，轧态镁合金板材的厚度为40mm。