CN116695034A - 一种提升铝合金应力腐蚀疲劳性能电磁冲击技术方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种提升铝合金应力腐蚀疲劳性能电磁冲击技术方法，施加交变电场或交变磁场对铝合金进行改性处理，施加交变电场是指首次以脉冲电流引入电磁冲击能量，施加交变磁场是指首次以脉冲磁场引入电磁冲击能量。本发明提出的铝合金应力腐蚀疲劳电磁冲击技术方法，对铝合金及其构件直接施加交变电场或交变磁场进行改性，根据材料特性控制交变电场、交变磁场作用所产生的电磁脉冲能量对铝合金及其构件进行靶向内应力调整、界面连通性和稳定性提升及微区损伤缺陷修复，能够使处于较高能量状态的损伤微区(如应力集中区、微裂纹区域)及界面处的原子/空位/位错移动，达到提升铝合金及其构件应力腐蚀疲劳性能的目的。
Description
技术领域
本发明涉及金属材料性能提升技术领域，尤其涉及一种提升铝合金应力腐蚀疲劳性能电磁冲击技术方法。
背景技术
铝合金广泛应用于汽车、航空航天领域，通常被用于制造覆盖件、连接件等重要结构件。铝合金构件由于应力腐蚀疲劳而产生的过早失效直接影响构件的可靠性和使用寿命，是制造工程科学领域的重点和难点。成形制造、热处理等是铝合金构件成形制造关键工序，对铝合金构件的组织性能有着重要影响。成形制造关键工序不仅使构件获得宏观几何形状，而且形成了构件的微观组织状态，直接决定了构件的工作性能和使用寿命。
构件成形过程中，由于温度、应力、应变、摩擦等工艺条件波动和分布不均匀，导致了形变与相变的不均匀，使得随机微区损伤(应变硬化、位错塞积、应力集中、微裂纹等)不可避免，这种随机损伤在构件循环应力加载作用下，容易导致塑性应变局域化，最终演变为失效裂纹源，严重危害构件应力腐蚀疲劳性能和服役寿命。迫切需要开发一种能够修复铝合金成形制造随机损伤、提升铝合金应力腐蚀疲劳性能的创新技术方法。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种提升铝合金应力腐蚀疲劳性能电磁冲击技术方法，旨在提升铝合金及其构件的滚动接触疲劳性能。
为实现上述目的，本发明提出一种提升铝合金应力腐蚀疲劳性能电磁冲击技术方法，施加交变电场或交变磁场对铝合金进行改性处理，所述施加交变电场是指首次以脉冲电流引入电磁冲击能量，所述施加交变磁场是指首次以脉冲磁场引入电磁冲击能量。
优选地，施加交变电场或交变磁场对铝合金进行改性处理，所述施加交变电场是指首次以脉冲电流引入电磁冲击能量，所述施加交变磁场是指首次以脉冲磁场引入电磁冲击能量。
优选地，施加交变电场对铝合金进行改性处理时，所采用的脉冲电流作用频率fE＝(0.02～0.5)fr，峰值电流密度其中cp、d和ρt分别为铝合金的比热容、密度和电阻率。
优选地，改性处理过程中通过调控脉冲电流的工艺参数，控制试样表面最大温升不超过30℃。
优选地，施加交变磁场对铝合金进行改性处理时，所采用的脉冲磁场的频率fM＝(0.02～0.6)fr。
优选地，施加交变磁场对铝合金进行改性处理时，磁场感应强度H＝300IH/L，IH为励磁电流，L为有效励磁长度。
优选地，改性处理过程中通过调控脉冲磁场的工艺参数，控制试样表面最大温升不超过30℃。
优选地，所述励磁电流IH在(0.7～1.2)*I0之间，其中I0为90A。
优选地，采用交变电场对铝合金进行改性处理时，作用时间tE为10s～120s；采用交变磁场对铝合金进行改性处理时，作用时间tM为10s～90s。
本发明提出的一种提升铝合金应力腐蚀疲劳性能电磁冲击技术方法，对铝合金及其构件直接施加交变电场或交变磁场进行改性，控制交变电场、交变磁场作用所产生的电磁脉冲能量对铝合金及其构件进行靶向内应力调整、界面连通性和稳定性提升及微区损伤缺陷修复，可使电磁场能量与构件基体不同稳定状态微区相组织进行能量耦合，从原子尺度调整铝合金微观结构，能够使处于较高能量状态的损伤微区的原子/空位/位错移动，以实现随机损伤靶向修复、调控内应力，达到提升铝合金及其构件应力腐蚀疲劳性能的目的。同时，本处理方法简单容易操作。
附图说明
图1为未经过交变电场或交变磁场处理的铝合金螺母应力腐蚀开裂测试结果图；
图2为实施例1中经过电磁能量冲击处理的铝合金螺母应力腐蚀开裂测试结果图。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
需要说明的是，在本发明的描述中，术语“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
电磁作为具有高传输速率、高能流密度的能量载体，能够将能量直接传递至金属材料内部，从原子尺度调整组织结构。电磁能量冲击技术是全新的金属材料外加物理场强化技术，通过对铝合金构件施加不同能级的交变电场或交变磁场，与构件基体不同稳定状态、不同弹性能的微区相组织进行能量耦合，能够使处于较高能量状态的损伤微区的原子/空位/位错移动，减少位错塞积，改善界面连接性、提高界面稳定性，修复微纳尺度微裂纹，均化应力应变分布。因此，电磁能量冲击技术是改善铝合金界面连接性和稳定性、提升铝合金应力腐蚀疲劳性能的变革性技术手段。
本发明提出一种提升铝合金应力腐蚀疲劳性能电磁冲击技术方法，施加交变电场或交变磁场对铝合金进行改性处理，所述施加交变电场是指首次以脉冲电流引入电磁冲击能量，所述施加交变磁场是指首次以脉冲磁场引入电磁冲击能量。
具体地，施加交变电场对铝合金进行改性处理时，所采用的脉冲电流作用频率fE＝(0.02～0.5)fr，峰值电流密度其中cp、d和ρt分别为铝合金的比热容、密度和电阻率。
具体地，施加交变磁场对铝合金进行改性处理时，所采用的脉冲磁场的频率fM＝(0.02～0.6)fr。施加交变磁场对铝合金进行改性处理时，磁场感应强度H＝300IH/L，IH为励磁电流，L为有效励磁长度。励磁电流IH在(0.7～1.2)*I0之间，其中I0为90A。
当采用交变电场对铝合金进行改性处理时，作用时间tE为10s～120s；采用交变磁场对铝合金进行改性处理时，作用时间tM为10s～90s。
本发明的工作原理如下。
根据金属结合原理，即电负性小的元素易失去电子，大量电负性小的原子相互靠近组成晶体时，各原子给出自己的价电子而成为带正电的原子实，价电子不再被束缚在各原子上，而是在整个晶体中运动、为所有原子共有。这种带正电的原子实与共有化的价电子云之间的互作用即为金属键。金属键的建立和破坏与两个原子间的互作用势能密切相关，若两个原子的间距为r，则有，
u(r)＝uT(r)+uR(r)
式中，等号后第一项是吸引势能，a、m是大于0的常数；第二项是排斥势能，又称波恩-朗道计算式，b是晶格参数，n为波恩指数，b和n二者都是由实验确定的常数。
由互作用势能可以得到两个原子间的互作用力，即，
同理，两个原子间的作用力可分为吸引力和排斥力，当两个原子间距离远(r>r0)时，互作用力表现为异性电荷产生的库伦引力；当两个原子间距离近(r＜r0)时，两个原子的外层电子云重叠，这时互作用力主要表现为同性原子的库伦斥力，且随着距离的进一步减小而迅速增大；只有在适当距离(r＝r0)时，互作用力为零。两个原子间距为r＝r0时，若平衡势能越大，这两个原子的结合就越牢固，要分解它们所需提供的能量就越多。
通过施加交变电场或交变磁场使铝合金内应力较大区域和微区损伤缺陷区域的原子被激活并进行重组，从而减少位错塞积，改善界面连接性、提高界面稳定性，修复微纳尺度微孔洞及微裂纹，均化应力应变分布，减缓塑性局域化所导致的裂纹萌生及裂纹扩展倾向，从而提高铝合金应力腐蚀疲劳性能。
采用以下实施例进行具体说明。
实施例1：
以7075铝合金试件为例，通过改变作用于铝合金及其构件的交变电场、交变磁场工艺参数，设计了一种提升铝合金应力腐蚀疲劳性能电磁冲击技术方法，该方法的具体步骤如下：
采用脉冲电流产生的交变电场对铝合金及其构件进行改性处理。所采用的脉冲电流参数为：脉冲电流频率80Hz，峰值电流大小165A/mm2，作用时间60s；
在改性处理过程中，通过调控脉冲电流的工艺参数(脉冲电流作用频率fE、峰值电流密度jE、作用时间tE)，控制试样表面最大温升不超过30℃，如果超过30℃则暂停处理，等待试样表面冷却至室温后，再进行改性处理，直至总的作用时间达到60s为止。
对未处理7075试件和经电磁能量冲击处理的7075试件进行应力腐蚀开裂测试，结果表明，未处理的7075试件发生明显的开裂，如图1所示，而经电磁能量冲击处理的7075铝合金试件没有发生开裂，如图2所示，即经电磁能量冲击处理的7075铝合金试件应力腐蚀开裂敏感性明显降低。
实施例所采用的脉冲电流参数根据7075铝合金及其构件的共振频率来确定，在所设定振动频率区间内，能够起到均化合金或其构件整体应力作用。同时，考虑到铝合金溶质原子在室温下即可克服其迁移障碍，采用脉冲电流施加交变电场对7075铝合金及其构件进行电磁冲击处理时，需通过调控脉冲电流的工艺参数(脉冲电流作用频率fE、峰值电流密度jE、作用时间tE)，控制试样表面最大温升不超过30℃，如果超过30℃则暂停处理，等待试样表面冷却至室温后，再进行改性处理，直至总的作用时间达到60s为止。
本发明提出的一种提升铝合金应力腐蚀疲劳性能电磁冲击技术方法，通过对铝合金及其构件直接施加交变电场或交变磁场进行改性，控制交变电场、交变磁场作用所产生的电磁脉冲能量对铝合金及其构件进行靶向内应力调整、界面连通性和稳定性提升及微区损伤缺陷修复，可使电磁场能量与构件基体不同稳定状态微区相组织进行能量耦合，从原子尺度调整铝合金微观结构，能够使处于较高能量状态的损伤微区的原子/空位/位错移动，以实现随机损伤靶向修复、调控内应力，达到提升铝合金及其构件应力腐蚀疲劳性能的目的。
本处理方法简单容易操作。
以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (8)
1.一种提升铝合金应力腐蚀疲劳性能电磁冲击技术方法，其特征在于，施加交变电场或交变磁场对铝合金进行改性处理，所述施加交变电场是指首次以脉冲电流引入电磁冲击能量，所述施加交变磁场是指首次以脉冲磁场引入电磁冲击能量。
2.如权利要求1所述的一种提升铝合金应力腐蚀疲劳性能电磁冲击技术方法，其特征在于，施加交变电场对铝合金进行改性处理时，所采用的脉冲电流作用频率fE＝(0.02～0.5)fr，峰值电流密度其中cp、d和ρt分别为铝合金的比热容、密度和电阻率。
3.如权利要求1所述的一种提升铝合金应力腐蚀疲劳性能电磁冲击技术方法，其特征在于，改性处理过程中通过调控脉冲电流的工艺参数，控制试样表面最大温升不超过30℃。
4.如权利要求1所述的一种提升铝合金应力腐蚀疲劳性能电磁冲击技术方法，其特征在于，施加交变磁场对铝合金进行改性处理时，所采用的脉冲磁场的频率fM＝(0.02～0.6)fr。
5.如权利要求3所述的一种提升铝合金应力腐蚀疲劳性能电磁冲击技术方法，其特征在于，施加交变磁场对铝合金进行改性处理时，磁场感应强度H＝300IH/L，IH为励磁电流，L为有效励磁长度。
6.如权利要求1所述的一种提升铝合金应力腐蚀疲劳性能电磁冲击技术方法，其特征在于，改性处理过程中通过调控脉冲磁场的工艺参数，控制试样表面最大温升不超过30℃。
7.如权利要求5所述的一种提升铝合金应力腐蚀疲劳性能电磁冲击技术方法，其特征在于，所述励磁电流IH在(0.7～1.2)*I0之间，其中I0为90A。
8.如权利要求1至7中任意一项所述的一种提升铝合金应力腐蚀疲劳性能电磁冲击技术方法，其特征在于，采用交变电场对铝合金进行改性处理时，作用时间tE为10s～120s；采用交变磁场对铝合金进行改性处理时，作用时间tM为10s～90s。
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