Ti2AlNb金属间化合物喷丸强化残余应力模拟分析与疲劳寿命预测

目的 研究经喷丸强化处理后Ti2AlNb材料表层残余应力的分布特征,并预测残余应力对材料疲劳性能的影响规律。方法 通过贴应变片逐层钻孔法,对使用喷丸强化处理后的Ti2AlNb试样进行残余应力测试分析,得到引入残余应力场各方面的测试数据,结合ABAQUS数值模拟方式,对比分析试验与模拟残余应力场结果,获取材料的最终残余应力梯度。利用FE-SAFE软件,通过叠加残余应力场的方式,预测喷丸强化前后试样的疲劳寿命。结果 在文中加工参数下,实验测试和软件模拟结果的重合度良好。喷丸强化可在Ti2AlNb金属间化合物靶材内引入300 MPa左右的最大残余压应力,深度达到了0.12 mm左右。材料表面塑性应变分布不均匀,且造成的塑性应变距表面深度可达0.1 mm。通过喷丸强化引入残余压应力,预测的Ti2AlNb材料疲劳极限可提高12%,高低周疲劳寿命均有明显的延寿效果。结论 验证了有限元数值模拟此材料喷丸强化的准确性和可靠性,得到了Ti2AlNb材料喷丸强化的残余应力场。由于塑性变形诱发机制的限制,喷丸造成塑性应变分布不均匀,塑性应变层深小于残余压应力层深。此外,强化后材料的疲劳性能显著提高,疲劳极限有可观的提升,且高低周疲劳均有较好的延寿效果。     

喷丸强化残余应力对AISI304不锈钢疲劳裂纹扩展行为的影响

目的 探究喷丸强化残余压应力对AISI 304不锈钢疲劳裂纹扩展行为的影响规律.方法 建立并联合紧凑拉伸(CT)试样三维有限元模型和对称胞元喷丸有限元模型,发展一套多步骤数值模拟方法.首先,建立AISI 304不锈钢CT试样的三维有限元模型,模拟不同外加交变载荷工况下的疲劳裂纹扩展过程.基于线弹性断裂力学理论,利用裂纹闭合技术,计算不同裂纹长度对应的应力强度因子范围,采用修正的Paris公式计算疲劳裂纹扩展速率,并通过试验数据对计算结果进行考核.其次,建立多弹丸分层逐次冲击靶面的对称胞元喷丸有限元模型,模拟100％和200％喷丸覆盖率下的残余应力场,并通过试验数据对该对称胞元喷丸有限元模型的有效性进行验证.最后,将喷丸强化诱导的残余应力场以读写外部文件的方式导入CT试样三维有限元模型,模拟在内部残余应力场和外部交变载荷共同作用下的疲劳裂纹扩展行为.结果 对于相同的喷丸工况,保持外加载荷比不变而减小最大外加载荷,或者保持最大外加载荷不变而减小外加载荷比,喷丸强化诱导的残余压应力对疲劳裂纹扩展的抑制作用愈加显著.对于相同的外加载荷工况,200％喷丸覆盖率工况比100％喷丸覆盖率工况更能有效降低AISI 304不锈钢的疲劳裂纹扩展速率.结论 喷丸强化诱导的残余压应力场能够有效抑制AISI 304不锈钢的疲劳裂纹扩展.     

TC4钛合金激光冲击强化与喷丸强化的残余应力模拟分析

目的 通过对激光冲击强化和喷丸强化后的试样进行残余应力测试分析,得出两种工艺在残余应力形成机理、残余应力层深以及残余应力均匀性等方面的差异.方法 一方面采用有限元方法 模拟激光冲击强化及喷丸强化的过程,将材料在两种强化冲击下的响应进行对比,研究残余应力的形成过程,并对残余应力场的分布规律进行总结分析.另一方面,分别用两种强化技术处理TC4钛合金的表面,并用剥层X射线衍射实验测试材料表层的残余应力.最后将实验结果 与测试结果 进行对比,验证有限元模拟的有效性.结果 当这两种强化效果产生-500 MPa的表面平均残余应力时,激光冲击强化后的TC4钛合金表层残余压应力层深度可达0.6 mm以上,而喷丸强化后的TC4钛合金表层残余压应力层深度只有0.15 mm左右.结论 由于诱发材料塑性变形的机制不同,激光冲击强化往往能获得比喷丸强化更好的残余压应力深度,同时激光冲击强化的材料的表面残余应力分布也比喷丸强化的材料更均匀.     

激光冲击与喷丸复合强化TC17钛合金表层残余应力研究

目的 分析激光冲击与机械喷丸复合强化钛合金表层残余应力场及其在疲劳载荷下的稳定性。方法 采用薄壁叶片强化参数先后对TC17钛合金表面进行激光冲击强化和喷丸强化,利用X射线衍射法分析两种工艺复合强化表层的残余应力分布,并分别在25、400 ℃拉-拉疲劳加载条件下分析复合强化表层残余应力的稳定性。结果 激光冲击与喷丸复合强化表面残余应力值为-600 ~ -800 MPa,残余压应力幅值沿深度不断递减,压应力层深度为0.7~0.8 mm。表面至0.1 mm深度范围内的残余应力分布梯度较大,其分布特征主要受控于喷丸工艺,而距表面0.1 mm以下的残余应力分布梯度较小,其分布特征受控于激光冲击强化工艺。结论 激光冲击和喷丸强化顺序对最表层残余应力的均匀性有一定影响,对最表层以下的残余应力分布影响较小。复合强化表面残余应力在室温疲劳加载后具有较好的稳定性,在400 ℃疲劳加载下发生一定量松弛后趋于稳定。     

GH742高温合金激光冲击强化和喷丸强化残余应力

对GH742高温合金进行激光冲击强化和喷丸强化,利用X射线应力分析仪测定强化层的残余应力,对比分析2种残余应力的差异和特征,并采用不同的退火温度进行退火,研究表面残余应力在高温下的稳定性。结果表明,2种表面强化方法都可以在GH742高温合金表层引入残余压应力,但激光冲击强化试样比喷丸强化试样具有更深的残余压应力层和较好的稳定性,且残余压应力最大值在表面;与激光冲击强化的试样相比,喷丸强化试样的残余压应力较浅,而且随着喷丸强度的增加,最大残余压应力也由表面移向了次表面。     

喷丸强度对TA15钛合金型材表面完整性影响的数值和实验研究

利用有限元模拟和喷丸实验研究了喷丸强度对TA15钛合金热挤压型材表面完整性的影响规律。对比了由数值模拟和喷丸实验得到的表面粗糙度和残余应力分布结果,验证了所建立的喷丸有限元模型的可靠性;研究了喷丸强度对材料表层显微硬度和微观组织的影响。实验结果表明,喷丸处理在TA15钛合金型材表层产生了最大数值为558~764 MPa且深度为115~151 μm的残余压应力层,材料表层发生塑性变形,位错密度增大,晶粒细化,表层硬度提高,形成了深度为100~150 μm的硬化层,同时表面粗糙度增大。最大残余压应力、压应力层深度和表层硬度随喷丸强度的增大而增大,但强度超过0.188 mmA后增加不明显,材料表面出现裂纹,且在0.222 mmA强度下,材料表面因折叠缺陷而发生残余应力松弛,降低了材料表面完整性。     

[例45] 喷丸强化技术在关键零部件中的应用

正表面喷丸强化是提高机械零部件疲劳寿命和应力腐蚀抗力的关键制造工艺,具有强化效果明显、操作简便及成本低廉等优点。喷丸过程中高速弹丸流反复击打材料表面,导致其表层发生明显塑性形变,进而引入残余压应力场、产生细化组织结构及诱发残余奥氏体向马氏体转变。实用的喷丸工艺包括:强化喷丸、精整喷丸、抛光喷丸、预应力喷丸、温度喷丸及复合喷丸。利用有限元计算方法,可数值模拟零部件喷丸残余压应力及其分布,预测出合适的喷丸工艺参数。通过喷丸工艺、喷丸设备和弹丸之间的黄     

表面处理技术改善结构表面残余应力的研究进展

表面形变强化技术是通过一定的技术手段诱导表层组织产生高幅值残余压缩应力,细化表层晶粒,从而抑制裂纹从表面萌生,提高抵抗疲劳破坏的能力。介绍了喷丸、超声冲击、激光喷丸和激光温喷丸等表面形变强化技术的原理。讨论了强化处理后表层组织残余应力的变化以及高温条件下残余应力的释放行为和疲劳寿命的增益问题,以期能为材料表面处理提供新思路。     

喷丸强化改善点式移动感应淬火42CrMo钢残余应力数值模拟分析

目的建立喷丸强化模型,模拟点式移动感应淬火零件过渡区残余拉应力改善情况。方法采用X射线衍射法,测量感应淬火零件过渡区残余应力分布情况,获得的残余应力作为初始应力条件被赋予到喷丸强化模型中,并通过X射线残余应力测试验证模型预测残余应力的准确性。最终通过被验证的喷丸强化模型,探究喷丸处理对初始残余应力状态的改善情况,以及不同喷丸参数对残余应力分布的影响。结果经喷丸强化处理过的淬火零件过渡区表层区域残余拉应力全部转变为残余压应力,不同残余应力状态模型喷丸后残余应力分布差异极小,说明初始残余应力状态对喷丸后残余应力分布的影响微乎其微。增加喷丸速度、弹丸直径和喷丸覆盖率可使残余压应力值增大,残余压应力层深增加,但是二者的增加存在饱和现象,即达到一定程度后变化非常小。结论喷丸强化前,过渡区残余拉应力最大值为295 MPa,喷丸处理后,过渡区残余压应力最大可达-973 MPa,喷丸强化工艺对点式移动感应淬火零件过渡区残余应力改善效果明显。     

S30432钢表面喷丸残余应力场的分析

运用有限元软件ABAQUS建立了模拟喷丸残余应力场的三维有限元模型,预测了钢丸喷射所产生的残余应力场,分析了喷丸强度、弹丸尺寸对S30432不锈钢靶材残余应力分布的影响以及变化特征。计算结果表明,喷丸后靶材表面产生残余压应力层,在近表层产生最大残余应力峰,同时在次表层形成二次残余应力峰。在相同弹丸直径、不同喷丸速度下,靶材近表层产生的最大残余压应力峰位接近,次表层产生的残余压应力峰位随速度的增加而加深,但近表层最大残余压应力值随速度的增加而增大;在相同喷丸速度、不同弹丸直径的喷丸作用下,近表层产生的最大残余压应力值的大小相近,而次表层产生的残余压应力峰值随弹丸直径的增大而增加,残余压应力影响层深度随速度增加呈线性增加。     

喷丸强化AZ91 D镁合金残余应力场的数值模拟及实验研究

目的研究喷丸工艺对AZ91D镁合金表面残余应力场的影响。方法基于有限元平台建立喷丸强化AZ91D镁合金的有限元模型,从残余压应力层的厚度、残余压应力的峰值及其深度等方面探讨弹丸速度、弹丸直径和弹丸入射角对AZ91D镁合金表面残余应力场的影响,并通过喷丸强化AZ91D镁合金的实验与有限元模拟结果进行对比。结果增大弹丸速度对残余压应力层的厚度、残余压应力的峰值提高效果明显,但对残余压应力峰值的深度影响不大;增加弹丸直径,残余压应力层的厚度、残余压应力的峰值及其深度均有明显提高;增大入射角,残余压应力层的厚度、残余压应力的峰值有明显提高,但是残余压应力峰值的深度基本不变。有限元模拟结果中,残余压应力层的厚度比实验值小7%,残余压应力的峰值比实验值大5%,残余压应力峰值的深度比实验值小11%。结论残余应力的实验结果与有限元模拟结果具有较好的一致性,模型合理。     

AISI-304奥氏体不锈钢喷丸残余应力的有限元模拟

目的针对喷丸有限元模拟中多数模型的弹丸数量较少,不能准确反映喷丸过程中弹丸位置的随机性及喷丸覆盖率对残余应力场影响的问题,对喷丸过程的有限元模拟技术进行优化。方法基于大型有限元分析软件ABAQUS,使用python编程语言对弹丸在三维空间中的分布进行随机化处理,建立了随机多弹丸喷丸AISI-304奥氏体不锈钢的有限元模型。在喷丸覆盖率大于100%的条件下,模拟分析了喷丸工艺中弹丸的数量、尺寸和弹丸的速度对残余应力场的影响,结合试验对有限元模型的合理性进行了验证。结果增加弹丸数量可提高残余压应力层的厚度和残余压应力的最大值,当弹丸数量为90颗时,残余压应力场接近饱和;增加弹丸速度,靶材残余压应力的峰值、表面应力值及残余压应力场的深度值增大,残余压应力峰值出现的位置基本不变;增大弹丸的直径,靶材残余压应力峰值、峰值的位置、表面应力值及残余压应力场的深度值均明显增大。结论喷丸残余应力的试验测量结果和有限元模拟结果吻合,模型合理。     

机械喷丸对7A52铝合金焊接接头残余应力改善的有限元模拟

分别建立了7A52铝合金双丝MIG焊热力耦合计算模型及GCr15钢弹丸撞击7A52铝合金试板的三维简化模型.在不影响计算结果的前提下,适当增大了焊接试板弹丸撞击区域网格尺寸.获得了焊接接头的残余应力场计算结果,并分析了弹丸大小、弹丸速度对喷丸残余应力场的影响规律,进而优化了喷丸参数.在此基础上利用隐式求解器与显式求解器之间的数据传递方法,将铝合金试板焊后残余应力场与喷丸处理过程进行耦合计算.结果表明,焊后试板喷丸处理对焊缝及近缝区表面残余应力、试板厚度方向残余应力分布状态均有较明显改善.     

基于DEM-FEM的微粒喷丸仿真分析

微粒喷丸作为一种新兴的喷丸工艺,由于工艺试验数据与仿真技术的缺失,其作用机理尚未探明。基于 ABAQUS 二次开发,采用离散元与有限元(DEM-FEM)相结合的方法,构建考虑初始残余应力与硬化层梯度的随机多弹丸微粒喷丸弹塑性模型,探究微粒喷丸的喷射速度与覆盖率对残余应力分布和表面粗糙度的影响规律。发现随着微粒喷丸喷射速度的增加, 靶体表面粗糙度的算术平均偏差 Sa 线性增加;覆盖率达到 100%后,覆盖率大小对 Sa 与残余压应力分布影响不大;喷射速度对于微粒喷丸的最大残余压应力值影响不大,但对残余应力层的厚度有显著影响。通过 DEM-FEM 耦合方法对微粒喷丸机理进行探究,为工艺参数的制定提供理论支撑。     

前混合水射流喷丸残余应力的数值模拟

金属材料的疲劳破坏已经成为制约金属零件使用寿命的主要因素,用水射流喷丸来改变金属材料表面的残余应力以提高金属零部件的疲劳寿命已成为最有效的方法。本文根据有限元理论,运用动力显式算法建立有限元模型,将喷丸过程简化为弹丸撞击靶体的模型,利用ANSYS／LS—DY—NA软件进行了数值模拟。结果表明：研究靶体的残余应力分布情况能得出最大残余压应力的值及位置,能得出残余应力场的分布和残余应力场深度;研究靶体的应变能够得出靶体表面的变形和表面Y应变的分布。     

数值模拟和实验研究Ti6Al4V合金激光熔透焊接残余应力

采用热-弹塑性三维有限元法研究激光熔透焊接Ti6Al4V合金的残余应力,并采用小孔法测量焊接残余应力以和计算结果进行比较.有限元计算时,建立了以焊缝形貌尺寸为参数的统一锥形热源模型来模拟不同热输入时的焊接温度场,并讨论了边界条件和有限元网格大小的确定.研究结果表明:采用焊缝轮廓尺寸作为热源参数能准确模拟焊缝横截面轮廓;钛合金激光熔透焊接的纵向残余应力分布梯度陡;在焊件表面和内部残余应力分布趋势不同,采用小孔法测量的残余应力分布和计算的焊接件内部残余应力分布相似.     

不同入射角弹丸强化残余应力场的数值模拟

目的通过建立有限元模型模拟研究弹丸入射角度对残余应力场和强化效果的影响。方法采用ABAQUS软件建立了单粒弹丸强化靶体的三维对称模型,对单个弹丸喷丸强化进行了数值模拟,模拟了50、75、100 m/s三种不同速度下,弹丸垂直入射作用在靶体上所产生的残余压应力场,以及30°、60°和90°三种不同入射角度下靶体上产生的残余应力场。结果不同速度下弹丸垂直入射作用在靶体上所产生的残余压应力场的模拟结果显示,随着弹丸速度的增加,靶材次表层的最大残余压应力以及压应力层深度增加。不同入射角度下靶体上产生的残余应力场深度和大小变化不相同,入射角为90°(垂直入射)时,所产生的残余压应力最大,入射角为60°时次之,入射角为30°时最小。结论模拟结果与实验结果的残余压应力最大值和曲线的变化趋势基本一致,吻合程度较高,说明所建的有限元模型可靠。在相同速度下,随着入射角度不断变大,所产生的最大残余压应力也不断增加,在垂直入射时达到最大值。