喷丸改性对7050铝合金FSW接头性能的影响_金玉花.pdf

材料导报 Materials Reports ISSN 1005-023X,CN 50-1078/TB 材料导报网络首发论文材料导报网络首发论文 题目：喷丸改性对 7050 铝合金 FSW 接头性能的影响 作者：金玉花，邢逸初，周子正，吴博 网络首发日期：2022-04-15 引用格式：金玉花，邢逸初，周子正，吴博喷丸改性对 7050 铝合金 FSW 接头性能的影响J/OL材料导报.https:/ 网络首发网络首发：在编辑部工作流程中，稿件从录用到出版要经历录用定稿、排版定稿、整期汇编定稿等阶段。录用定稿指内容已经确定，且通过同行评议、主编终审同意刊用的稿件。排版定稿指录用定稿按照期刊特定版式（包括网络呈现版式）排版后的稿件，可暂不确定出版年、卷、期和页码。整期汇编定稿指出版年、卷、期、页码均已确定的印刷或数字出版的整期汇编稿件。录用定稿网络首发稿件内容必须符合出版管理条例和期刊出版管理规定的有关规定；学术研究成果具有创新性、科学性和先进性，符合编辑部对刊文的录用要求，不存在学术不端行为及其他侵权行为；稿件内容应基本符合国家有关书刊编辑、出版的技术标准，正确使用和统一规范语言文字、符号、数字、外文字母、法定计量单位及地图标注等。为确保录用定稿网络首发的严肃性，录用定稿一经发布，不得修改论文题目、作者、机构名称和学术内容，只可基于编辑规范进行少量文字的修改。出版确认出版确认：纸质期刊编辑部通过与中国学术期刊（光盘版）电子杂志社有限公司签约，在中国学术期刊（网络版）出版传播平台上创办与纸质期刊内容一致的网络版，以单篇或整期出版形式，在印刷出版之前刊发论文的录用定稿、排版定稿、整期汇编定稿。因为中国学术期刊（网络版）是国家新闻出版广电总局批准的网络连续型出版物（ISSN 2096-4188，CN 11-6037/Z），所以签约期刊的网络版上网络首发论文视为正式出版。材料导报,2023,37(10).DOI:10.11896/cldb.21070253 http:/www.mater- 基金项目：国家自然科学基金(51865028)；甘肃省高等学校基本科研业务费(01-0071)This work was financially supported by the National Natural Science Foundation of China(51865028),Basic Scientific Research Funds for Universities of Gansu Province(01-0071).喷丸改性对喷丸改性对 7050 铝合金铝合金 FSW 接头性能的影响接头性能的影响 金玉花1,2，邢逸初1，周子正1，吴博1 1.兰州理工大学材料科学与工程学院，兰州 730050；2.兰州理工大学省部共建有色金属先进加工与再利用国家重点实验室，兰州 730050 摘要：摘要：对 5mm 厚 7050 铝合金搅拌摩擦焊接头进行喷丸表面改性处理，并对喷丸前后接头进行残余应力测量、低周疲劳裂纹扩展试验，研究喷丸改性对焊接接头残余应力分布及对焊核区、热影响区疲劳裂纹扩展速率的影响。结果表明，喷丸处理提高了接头表面粗糙程度，但接头表层及近表层产生硬化层，二次喷丸处理后的表层硬度值达 198Hv。二次喷丸最高硬度值比焊接态提高33.1%。喷丸引入的残余压应力值随喷丸次数增多而增大，最大压应力值位置也移向板材更深处。焊核区、热影响区疲劳裂纹扩展速率相对焊接态均降低，表明喷丸改性提高了接头两微区抗疲劳断裂的能力。关键词关键词：7050 铝合金；搅拌摩擦焊；喷丸改性；残余应力；疲劳裂纹扩展 通讯作者：通讯作者：金玉花，.中图分类号：中图分类号：TG 453 文献标识码：文献标识码：A 引用格式：金玉花，邢逸初，周子正，吴博.喷丸改性对 7050 铝合金 FSW 接头性能的影响 J.材料导报,2023,37(10).Effect of Shot Peening on Properties of 7050 Aluminum Alloy FSW Joint JIN Yuhua1,2,XING Yichu1,ZHOU Zizheng1,WU Bo1 1 Material Science and Engineering Institute,Lanzhou University of Technology,Lanzhou 730050,China；2 State Key Laboratory of Advanced Processing and Recycling of Non-ferrous Metals,Lanzhou University of Technology,Lanzhou 730050,China Abstract:The 5 mm thick 7050 aluminum alloy friction stir welded joint was modified by shot peening modification.The Residual stress measurement and low-cycle fatigue crack propagation test were carried out for the joints before and after shot peening.The effect of shot peening modification on the residual stress distribution of welded joints and the spread rate of fatigue cracks of nugget zone and heat affected zone were studied.The results show that shot peening treatment reduced the surface quality of the joints,but the surface layer and the near surface layer of the joint produce a hardened layer,and the hardness value of the surface layer after the secondary shot peening treatment reaches 198HV.The maximum hardness value of secondary shot peening is 33.1%higher than that of welding state.The residual 网络首发时间：2022-04-15 15:18:58网络首发地址：https:/ http:/www.mater- compressive stress introduced by shot peening increases with the accumulation of the shot peening times,and the maximum pressure stress position moves deeper into the plate.The propagation rate of fatigue cracks of nugget zone and heat affected zone is reduced relative to the welded joint,which indicates the fatigue fracture resistance of the joint from the nugget zone and heat affected zone enhanced through the shot peening process.Key words:7050 aluminum alloy,friction stir welding,shot peening modification,residual stress,fatigue crack propagation Correspondence:Yuhua Jin,0 引言引言 搅拌摩擦焊（FSW）是英国焊接研究所发明的一种固相连接技术，具有连接温度低、焊后残余应力小及接头性能高的优点1。尤其适合连接铝及铝合金等熔点较低的金属及合金，该技术近年来在航空航天、船舶、汽车等领域得到青睐。尽管如此，铝合金 FSW 后接头组织不均匀，很容易导致结构件在服役过程中发生疲劳断裂或腐蚀损伤导致早期失效2，而疲劳裂纹大多起源于零件的表面，因此表面改性的辅助强化措施引起了广泛的关注。常用的表面改性的方式主要有喷丸、激光喷丸、表面轧滚、激光冲击、空化喷丸等技术3-4。Zhang Junhao 等5利用激光冲击对 7075-T6 航空铝合金进行强化处理，冲击过后试样表面的晶粒由长条状（约 100m 33m）细化到接近等轴状，平均尺寸约 27m 的晶粒，表面产生厚度约为 0.5mm的残余压应力层。金玉花等6采用滚动轧制对 7050 铝合金搅拌摩擦焊焊缝进行双面滚压，接头表层晶粒明显细化，细晶强化层深达 200m，残余应力得到改善。Kawashima 等7使用飞秒激光喷丸技术处理 7075-T73铝合金 FSW 接头，针对抗应力腐蚀能力更强状态的 FSW 接头，表面经过飞秒激光脉冲冲击后疲劳裂纹起裂位置由焊缝表面转移至材料内部起裂，疲劳寿命也明显提高，尤其是 210MPa 高应力幅作用下，母材循环约 105次发生断裂，喷丸处理后需要循环 107次以上发生断裂，寿命提高了两个数量级。吴俊峰等8利用连续激光冲击中厚板 7050 铝合金,经过 5 次激光冲击后，试样表面残余应力由压应力转变为拉应力，显微硬度随着激光冲击次数增加而增加，并达到饱和值。厚板底层显微硬度降低，5 次激光冲击试样相比 4 次连续激光冲击试样形成凹坑深度增大 58%，5 次激光冲击为 7050 铝合金中厚板的层裂阈值，这些实验数据为工业应用中避免层裂和改善强化效果提供了参考依据。本文以高强铝合金 7050-T76 FSW 接头为研究对象，对接头进行喷丸处理后分析喷丸强度对接头表面残余应力的变化，对焊核区、热影响区两个微区进行低周疲劳试验，为喷丸表面改性技术改善 FSW 接头微区疲劳性能提供依据。1 实验实验 试验材料选取 5mm 厚的 7050 铝合金轧制板材，焊接时下面加垫板并用夹具夹持好，保证焊接时两块板材牢固且紧密接触。其规格为 160mm80mm5mm，材料主要化学成分及力学性能如表 1，2 所示。搅材料导报,2023,37(10).DOI:10.11896/cldb.21070253 http:/www.mater- 拌摩擦焊工艺参数为搅拌头转速 900 r/min，焊接速度 100 mm/min，下压量 0.2 mm，焊接倾角 1.5。焊接完成后用砂轮打磨去掉焊件表面的飞边和毛刺，之后对焊件表面进行喷丸处理。喷丸工艺参数如表 3 所示，一次喷丸时间为 10min，二次喷丸是在一次喷丸处理后再进行 10min 喷丸处理。利用 QuantaFEG-450 扫描电镜(SEM)观察疲劳断口组织形貌，激光共聚焦（Zeiss LSM 800）测量喷丸前后焊缝表面形貌及表面粗糙度。采用 Wilson VH1150 型维氏硬度计（载荷 0.98N，加载时间 15s）测接头横截面硬度。利用 X-350A X射线衍射仪配合逐层电解刨光获得不同喷丸条件下的 FSW 接头不同位置的残余应力分布。残余应力的测量根据 GB 7704-87 X 射线应力测定方法采用侧倾固定 法，角度分别为 0和 45，选择（311）晶面，采用 Crk 靶辐射，X 光管电压为 23kV，电流为 6mA。采用 SDS-100 电液伺服动静疲劳试验机进行疲劳裂纹扩展试验，根据 GB/T 63982000金属材料疲劳裂纹扩