分享：孔内壁残余应力和表面粗糙度对铝合金紧固孔试样疲劳寿命的影响

0.   引言

飞机壁板是飞机的重要承力构件,一般采用铝合金材料制造[1-3]。壁板上加工有大量的紧固孔,孔边存在应力集中效应,在交变载荷作用下易产生疲劳裂纹,进而影响飞机的安全性与可靠性[4-6]。因此,紧固孔的疲劳问题一直是人们研究的重点。 

大量研究[7-11]表明,孔结构表面质量是影响其疲劳性能的重要因素之一。表面质量主要包括表面粗糙度、残余应力和微观结构等[12-15]。张东初等[14]研究发现,孔的表面粗糙度越大,应力集中系数就越大,疲劳寿命越短。LANDON等[11]研究发现,孔的表面粗糙度在较低范围内变化对孔的疲劳性能没有显著影响,而孔表面硬度对疲劳寿命有显著的正影响。除了表面粗糙度,残余应力同样会对孔结构疲劳寿命产生影响。通常,当表面存在残余压应力时,可以获得较长的疲劳寿命；而当表面存在残余拉应力时,则会缩短疲劳寿命。目前,关于表面粗糙度、残余应力对疲劳寿命影响的研究已经比较广泛,但是两种因素同时存在对孔结构疲劳性能的影响并不是单因素影响的简单叠加,具体影响规律还有待进一步研究。 

为此,作者以航天用7050-T7451铝合金板为研究对象,采用电火花加工、铣削、钻铰在疲劳试样中心制备不同表面质量紧固孔,通过疲劳试验研究了孔内壁表面粗糙度和残余应力对试样疲劳寿命的综合影响,建立了孔表面粗糙度和残余应力与疲劳寿命之间的关系。 

1.   试样制备与试验方法

1.1   试样制备

试验材料为6.35 mm厚7050-T7451铝合金板,由Kaiser公司生产,显微组织如图1所示,主要为细小且大量分布的亚晶晶粒和粗大扁平状的再结晶晶粒；化学成分（质量分数/%）为6.27Zn,2.23Mg,2.24Cu,0.01Cr,0.09Zr,0.05Si,0.15Fe；密度为2 730 kg·m−3,弹性模量为72 GPa,泊松比为0.33,屈服强度为441 MPa。采用磨削法将铝合金板打磨至厚度3 mm,对表面进行抛光以消除加工痕迹。根据GB/T 3075—2021,采用线切割制取如图2所示的板状疲劳试样。采用BSW-530型电火花切割机进行电火花加工,在GETTEC GDT-T6型加工中心进行钻铰以及铣削加工,在疲劳试样中心制备出不同表面粗糙度和残余应力的直径为2.6 mm的孔。钻铰工艺采用直径2.5 mm钻头和直径2.6 mm铰刀,刀具转速为150 r·min−1,切削速度分为4,8,12,16,20,40,80 mm·min−1；铣削工艺采用直径1.5 mm铣刀,采用螺旋铣削,刀具转速为8 000 r·min−1,进给速度分别为0.02,0.04 mm·r−1；电火花加工采用铜丝加工,加工电流为0.5 A,切削速度为120 mm·min−1。 

图  1  7050-T7451铝合金显微组织

Figure  1.  Microstructure of 7050-T7451 aluminum alloy

图  2  疲劳试样尺寸

Figure  2.  Size of fatigue sample

1.2   试验方法

根据GB/T 7220—2004《产品几何量技术规范（GPS）表面结构 轮廓法 表面粗糙度 术语 参数测量》,采用Alicona IFM G4型表面三维形貌仪测试孔内壁表面粗糙度,测试位置为孔壁中心。根据GB/T 7704—2017《无损检测 Ｘ射线应力测定方法》,采用Proto-iXRD型X射线衍射仪（XRD）测试孔内壁残余应力,铬靶,Kα射线,管电压为20 kV,电流为4 mA,衍射角为156°,衍射晶面为[222]晶面,测试位置为孔壁中心,测试方向沿孔受拉应力方向,测3次取平均值。根据GB/T 3075—2021《金属材料 疲劳试验 轴向力控制方法》,采用QBG-100型高频疲劳试验机进行高周疲劳试验,采用应力控制,恒定应力幅为130 MPa,应力比为0.1,加载频率在80 Hz左右。用无水乙醇超声清洗疲劳断口,采用S-3400N型扫描电子显微镜（SEM）观察断口形貌。 

2.   试验结果与讨论

2.1   表面粗糙度和残余应力

由图3可见：电火花加工孔内壁存在大量的凹坑与凸起,表面质量较差,而铣削和钻铰试样孔内壁相对平整均匀。这是因为电火花加工属于热加工,加工过程中会对孔壁组织产生灼烧,且加工产生的残留物会附着在内壁[7],而铣削与钻铰属于冷加工。此外,随着切削速度增加,钻铰孔加工条纹的间距、深度和宽度均增大。进给速度0.02 mm·r−1下的铣削孔的内壁表面平整性介于切削速度为16,80 mm·min−1的钻铰孔之间。 

图  3  不同工艺加工孔内壁三维形貌

Figure  3.  Three-dimensional morphology of hole inner wall processed by different process: (a) electrical discharge machining; (b) milling under feed speed of 0.02 mm·r−1 and (c-e) drilling and reaming under cutting speed of 8, 16, 80 mm·min−1

由表1可知：电火花加工孔内壁表面粗糙度最大,铣削孔次之（0.6~0.8 μm）,钻铰孔最小（0.3~0.6 μm）；随着切削速度增加,钻铰孔表面粗糙度增大；进给速度越大,铣削孔表面粗糙度越大。此外,3种工艺加工产生的残余应力均为残余压应力,这是加工过程中刀具与孔壁发生挤压造成的；电火花加工孔内壁表面残余压应力最小,为20 MPa,钻铰孔为40~170 MPa,铣削孔为60~90 MPa；随着切削速度增加,钻铰孔残余压应力增大,这是因为刀具与孔壁的挤压效果随切削速度增加而增强；进给速度越大,铣削孔残余压应力越大。 

2.2   疲劳寿命

孔表面粗糙度的减小有利于降低应力集中效应,延长疲劳寿命；残余压应力的增大有利于平衡试样在循环载荷作用下受到的拉应力,延长疲劳寿命。由图4可见：不同应力下,电火花加工试样疲劳寿命均为最短,这是因为其孔内壁表面粗糙度最大,残余压应力最小,表面质量最差；进给速度0.02 mm·r−1铣削试样的疲劳寿命和切削速度8 mm·min−1钻铰试样的疲劳寿命相近且最长,切削速度80 mm·min−1钻铰试样的疲劳寿命较前者短,这是因为该试样表面粗糙度较大,加工条纹较深,疲劳性能受到影响,而钻铰和铣削试样疲劳寿命相近则是因为虽然钻铰试样的表面粗糙度低于铣削试样,但是其残余压应力更小,综合作用下两者疲劳寿命相对接近。由表2可知：随着切削速度减小,钻铰试样的疲劳寿命先延长后缩短,切削速度为16 mm·min−1时最长,切削速度为80 mm·min−1时时最短。 

图  4  不同工艺加工紧固孔试样的S-N曲线

Figure  4.  S-N curves of fastener hole samples processed by different process

由图5可见：切削速度为80 mm·min−1时的钻铰试样的疲劳裂纹从加工条纹处萌生并扩展,这是因为其孔内壁表面粗糙度高,应力集中较大；切削速度为8 mm·min−1的钻铰试样裂纹萌生较晚,于微小加工条纹处萌生并扩展,这是因为其表面粗糙度显著降低,应力集中效应得到大幅缓解；切削速度为16 mm·min−1的钻铰试样裂纹萌生位置由孔壁区域向孔角处转移,这是因为其表面粗糙度居中,应力集中程度居中,同时其残余压应力较大,有效抑制了裂纹萌生与扩展,从而显著延长了疲劳寿命。 

图  5  不同切削速度下钻铰试样的疲劳断口形貌

Figure  5.  Fatigue fracture morphology of drilling and reaming samples under different cutting speed: (a–c) overall and (d–f) crack initiation zone

由图6可见：钻铰试样的疲劳寿命并不随着表面粗糙度或者残余应力的变化而单调变化。当孔内壁表面粗糙度较小时,残余压应力增大,使得疲劳寿命有所延长,但随着表面粗糙度增大,所导致的应力集中效应对疲劳寿命的影响占比变大,残余应力的影响占比减小,疲劳寿命开始缩短。在较小的孔表面粗糙度条件下引入较大残余压应力可以延长疲劳寿命[6],表面粗糙度和残余应力的协同作用决定了疲劳性能。在考虑孔表面质量对疲劳寿命的影响研究及寿命预测中,以单一因素关联疲劳寿命无法对其变化趋势做出很好的解释,需要综合考虑表面粗糙度与残余应力的影响。 

图  6  不同切削速度下钻铰试样的孔表面粗糙度、残余压应力和疲劳寿命分布

Figure  6.  Hole surface roughness, residual compressive stress and fatigue life distribution of drilling and reaming samples under different cutting speed

2.3   表面粗糙度和残余应力与疲劳寿命的关系

拉伸载荷作用下,结构表面应力集中的半经验公式[16]为 

式中：Kt为应力集中系数；$\mathrm{<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">?</span>}$为缺口间距与深度的比值；Rz为试样表面微观不平度十点高度（表面粗糙度的一种评定参数）；ρ为缺口底部的曲率半径。 

假设缺口形状为半椭圆形,考虑缺口数量及间距,对模型进行修改得到的应力集中模型[17]为 

式中：${\mathrm{<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">?</span>}}_{{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">?</span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">?</span>}}}$为多缺口试样表面应力集中系数；d为相邻两缺口间距；a为半椭圆形缺口长半径。 

半椭圆形缺口长半径与面微观不平度十点高度相同,相邻缺口间距通过切削速度与铰刀转速和棱数获得,则由式（2）计算所得不同切削速度下钻铰孔内壁表面应力集中系数见表3。 

分析疲劳寿命影响规律时,通常将试样所受疲劳载荷与残余应力叠加作为有效应力[18]。设置孔表面质量影响系数,即表面粗糙度与残余应力共同作用下的实际应力与孔结构所受最大应力之比,用于表征表面质量对疲劳寿命的影响。孔表面质量影响系数计算公式为 

式中：Z为孔表面质量影响系数；σ0为结构所受到的名义应力；Kt0为圆孔附近的应力集中系数,取2.6；σr为残余应力。 

由图7可见,随着表面质量影响系数增加,疲劳寿命近似线性缩短。表面质量影响系数能够同时兼顾表面粗糙度和残余应力的影响,在±2.5倍数据分散带内很好地关联疲劳寿命,两者拟合关系式如下： 

式中：N为疲劳寿命。 

图  7  不同工艺加工孔的表面质量影响系数与疲劳寿命关系

Figure  7.  Relationship between fatigue life and surface quality influence coefficient of holes processed by different process

采用不同工艺加工的紧固孔,其表面质量和残余应力势必存在差异。提出的孔表面质量影响系数可以表征表面粗糙度和残余应力对飞机壁板疲劳寿命的综合影响：影响系数越大,表明孔表面质量越差,疲劳寿命越短。在考虑不同开孔工艺对飞机壁板疲劳寿命的影响时可以起到一定的参考。 

3.   结论

（1）电火花加工孔的表面粗糙度最大,内壁表面残余压应力最小,表面质量最差；铣削孔的表面粗糙度和残余压应力居中,表面质量居中,进给速度越大,表面粗糙度和残余压应力越大；钻铰孔的表面粗糙度最小,残余压应力较大,表面质量最好,随着切削速度增加,表面粗糙度和残余压应力均增大。 

（2）电火花加工孔试样的疲劳寿命最短,铣削孔试样的疲劳寿命居中,钻铰孔试样的疲劳寿命较长,当切削速度为16 mm·min−1时最长。孔的表面粗糙度和孔内壁残余应力共同影响试样的疲劳寿命,表面粗糙度较小时,随着残余压应力增加,疲劳寿命延长,表面粗糙度增大后,应力集中效应对疲劳寿命的影响占比变大,增加残余压应力,也很难延长疲劳寿命。 

（3）孔表面质量影响系数可以兼顾孔表面粗糙度和残余应力的影响,在±2.5倍数据分散带内很好地关联疲劳寿命,随着孔表面质量影响系数增加,带孔试样的疲劳寿命近似线性缩短。 

文章来源——材料与测试网