表面纳米化对316L不锈钢摩擦磨损性能的影响

采用机械喷丸技术对316L不锈钢实施了表面纳米化处理,研究了纳米化前后试样的摩擦磨损性能。结果表明,316L不锈钢经过表面纳米化后,表面产生的残余压应力最大可达-370 MPa,深度达0.8 mm。表面纳米化使得316L不锈钢表面显微硬度提高了近50%,表面摩擦系数明显降低,摩擦磨损质量损失为对比试样的10%,表明表面纳米化极大改善了316L不锈钢的摩擦磨损性能。     

复合喷丸工艺对S30432钢表面应力与组织的影响

采用扫描电镜、X射线衍射仪研究喷丸形变处理工艺对S30432钢表面残余压应力分布与组织结构变化的影响,分析了不同喷丸工艺下表面残余应力的分布特征。结果表明,采用钢丸与陶瓷丸复合喷丸工艺,材料表面残余压应力约为-520 MPa,而最大残余应力值在距表面大约0.02 mm处,其值约为-550 MPa;采用单一钢丸的喷丸工艺,表面残余压应力约为-400 MPa,距表面大约0.06 mm处残余压应力达到最大值,约为-500 MPa。喷丸后在形变层形成许多位错墙并将组织分割为细小的位错胞。     

喷丸处理的锆合金残余应力场分布规律

目的通过不同的喷丸处理工艺,探索适用于锆合金包壳管的喷丸处理参数。方法对锆合金包壳管采取9种不同的喷丸处理工艺且编号(1—9号),采用XRD残余应力检测技术,对处理后的包壳管试样分别进行轴向和切向的残余应力场测定。结果未喷丸处理的试样表面轴向、切向残余应力分别为-277 MPa和-250 MPa,最大应力在最外表层。喷丸处理试样表面轴向残余压应力比未喷丸处理的大,只有9号工艺对应的表面轴向残余应力比未喷丸的小,这很有可能是因为喷丸强度过大,在表面形成了微裂纹,残余应力得以释放,所以锆合金包壳管的喷丸强度不宜超过0.40 mm A。对于强度较高的5—9号喷丸工艺,喷丸强度达到0.15 mm A以上,包壳管压应力影响层的厚度均超过460μm,几乎达到了喷丸处理后包壳管的整个壁厚。在相同喷丸强度和相同弹丸直径条件下,玻璃丸的表面压应力和最大压应力与不锈钢丸的相近,不锈钢丸处理的压应力影响层比玻璃丸处理的压应力影响层厚约80μm。结论在相同喷丸强度和相同弹丸材料下,改变弹丸直径对锆合金两个方向上的表面残余应力和最大残余应力的大小影响不大;直径较小的弹丸对应轴向最大残余应力的位置更深,直径较大的弹丸对应切向最大残余应力的位置更深。随着锆合金喷丸强度的增加(没有出现过喷),表面两个方向上的残余应力都增加,两个方向上的最大残余应力也有所增加。     

基于随机多丸粒模型的TC4钛合金喷丸强化数值分析

考虑丸粒的空间位置随机分布,利用ABAQUS建立了多丸粒喷丸强化过程有限元模型,获得喷丸覆盖率与丸粒数目之间的数学关系,通过不同丸粒数目得到对应的覆盖率,并在100%覆盖率下进一步分析丸粒直径、喷丸速度对残余应力及表面粗糙度的影响。结果表明,在100%覆盖率下,表面残余压应力在改变喷丸速度时变化较为显著,而最大残余压应力在改变丸粒直径时变化较大,残余压应力层深、最大残余压应力层深和表面粗糙度随着丸粒直径、喷丸速度增大而增大。     

40 Cr 钢表面高能喷丸纳米化及其耐磨性能

为了研究40Cr钢表面纳米化对其耐磨性能的影响,对40Cr钢表面进行高能喷丸处理,获得纳米结构表层,分析了材料表面高能喷丸前后的微观组织变化,测定了纳米化材料表层的残余应力及显微硬度,研究了纳米化表层的磨损性能。结果表明:高能喷丸使40Cr钢表层发生了严重塑性变形,显微硬度较基体提高了68%,并使材料表面分布了较高幅值残余压应力,最大可达-736 MPa,残余压应力层深度达0.9 mm;高能喷丸表面纳米化能在一定程度上降低40Cr钢表面的摩擦系数,且大大减小其磨损失重,显著改善了40Cr钢的耐磨性能。     

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。     

微粒轰击Fe基非晶电弧喷涂层性能强化

为了减小热喷涂层残余应力对涂层质量的不利影响,采用喷丸(砂)微粒轰击与高速电弧喷涂相互循环交替的工艺制备了Fe基非晶涂层,使涂层残余拉应力变为残余压应力,喷丸(砂)强化涂层表面残余应力由未处理涂层表面残余拉应力277 MPa分别变为残余压应力-177 MPa(-91 MPa)。利用电子扫描显微镜、纳米压痕仪、摩擦磨损试验机等分别对涂层的微观形貌、力学性能和摩擦磨损性能进行了测试。结果表明:经过微粒轰击后的涂层表面致密平整,组织结构密实,喷丸(砂)强化涂层的孔隙率仅为1.0%(1.5%),结合强度可达44.6 MPa(56.4 MPa),经过微粒轰击后涂层硬度、弹性模量及摩擦磨损性能都有所提升。喷丸强化涂层局部过度的轰击会使涂层结合强度及摩擦磨损性能略有下降。     

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。     

喷丸试件表面粗糙度与残余应力相关性研究

对铝合金材料进行喷丸处理是铝合金材料强化的常用方法,该方法可以改善铝合金材料的抗疲劳性能,延缓其在循环载荷下疲劳裂纹的萌生及扩展。喷丸强化产生最直接的两个影响是材料表面粗糙度的增加和材料残余应力的引入,其中所形成的喷丸表面残余压应力层被认为是提高材料抗疲劳性能的强化因素,而表面粗糙度的增加则对材料的抗疲劳性能产生不利影响,故有必要从上述"强化"和"弱化"两个侧面综合评价喷丸对材料抗疲劳性能的影响,以期在提高喷丸残余应力的同时使其表面粗糙度的增加得到有效抑制。文章首先对喷丸试件的表面粗糙度和残余应力进行了实际测量;随后通过建立喷丸数值仿真模型分别得到了试件表面粗糙度和残余应力的仿真结果,并通过与实验结果的对照验证了仿真分析的正确性;进而利用该仿真模型探究了表面粗糙度和残余应力之间的相关性。分析表明最大残余压应力与表面粗糙度呈线性相关关系,通过增加喷丸速度以达到所需的σmax值同时可最大程度的抑制粗糙度的增长;最大残余压应力层深度与表面粗糙度呈线性相关关系,通过增加丸粒直径可达到所需的Zmax值同时可最大程度的抑制粗糙度的增长。     

基于SPH结合FEM的喷丸残余应力数值模拟

针对以往有限元模型中弹丸数量较少且为规则阵列排布的缺陷,采用光滑粒子流体动力学法(Smoothed particle hydrodynamics,SPH)与有限元法(Finite element method,FEM)相结合的方法,对喷丸过程进行数值模拟;使用MATLAB对弹丸空间位置坐标进行随机化处理,形成了大量丸粒冲击工件表面的随机喷丸仿真模型。通过分析确定了喷丸饱和时间,研究了喷射角度、弹丸流量对残余应力场的影响。结果表明:在喷丸参数一定的条件下,存在相应的饱和喷丸时间;研究喷丸参数对残余应力的影响时,应在喷丸达到饱和时间之后提取残余应力值;喷射角度增大,残余压应力增大;开始时弹丸流量增大,残余压应力会有所增大,但当其达到饱和值后,残余压应力不再变化。     

单丸粒和双丸粒喷丸模型的有限元模拟

为了研究复合喷丸的工艺效果,运用ABAQUS有限元软件模拟喷丸过程,建立了单丸粒和双丸粒的三维有限元模型。研究了弹丸速度、弹丸半径及靶材几何特征对残余应力场和等效塑性应变影响的一般规律,并研究了二次冲击时弹丸速度和弹丸半径对强化效果的影响。单丸粒喷丸模型的仿真结果表明,随着弹丸速度和弹丸半径增大,表面残余压应力、残余压应力最大值及残余压应力层深度均增大,等效塑性应变层深度也随之增大。单丸粒喷丸强化不同几何特征靶材表面时的强化效果从大到小依次为凹槽面、平面、圆柱面和球面。双丸粒喷丸强化在靶材表面引入的残余应力和最大残余应力均大于单丸粒喷丸。当第2个丸粒选择较小的弹丸半径时,可在靶材浅表面形成更大的残余压应力。     

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。     

喷丸改善Q235B对接焊接头残余应力场的有限元分析

以Q235B钢板对接焊接头残余应力场为研究对象,利用有限元分析软件ABAQUS建立焊接接头喷丸模型,研究喷丸改善焊接接头残余应力情况。首先通过焊接模型得到Q235B对接焊接头的温度场和残余应力场,然后将提取的焊接残余应力结果作为初始条件导入到喷丸模型中,对比喷丸处理前后焊接接头的残余应力。结果表明:有限元焊接模型能较准确地模拟Q235B钢板的焊接过程,焊后残余拉应力集中在焊缝及其周边,焊件过渡区表面无论横向还是纵向均存在较大的残余拉应力。通过适当的喷丸表面处理,焊件过渡区表层的残余拉应力变为压应力,随着弹丸速度和弹丸直径的增加,过渡区表面残余压应力、最大残余应力、最大残余应力深度和残余压应力层深均有所增加。在喷丸覆盖率为100%情况下,增加弹丸直径能在焊件过渡区产生更利于疲劳性能的残余应力场,而增加速度对残余应力场的改善则不如增加直径明显。     

激光喷丸参数对7075铝合金残余应力分布影响规律的数值分析

为了研究不同激光喷丸参数对残余应力分布的影响规律,较快获取期望的残余应力分布,通过利用有限元软件ABAQUS对激光喷丸过程进行数值模拟,完成了7075航空铝合金靶材在不同冲击波峰值压力、冲击次数、光斑大小及搭接率等工艺参数下的数值模拟。模拟结果表明:随着峰值压力的增加,材料表面残余压应力也增加,当峰值压力增大到一定值时,材料表面残余压应力达到最大;当峰值压力一定时,材料表面及内部残余压应力随光斑大小及冲击次数的增加而增加;随着光斑搭接率的增加,材料表面残余压应力增大,且随着搭接率的增加,表面残余压应力的波动逐渐减小。     

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。     

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。     

喷丸对H13钢单边带缺口试样疲劳裂纹扩展行为的影响

喷丸工艺通过改变试件的表面形貌、微观组织及残余应力等表面完整性可以影响裂纹的萌生和扩展;对于存在缺陷的试件,喷丸的作用机制和影响结果有所不同。采用白光干涉仪、SEM、XRD及显微硬度计等对单边带缺口的H13钢薄板试样喷丸前后的表面完整性进行了测定。并借助原位SEM开展了系列裂纹扩展试验,分析了喷丸对试样疲劳寿命、裂纹扩展速率以及疲劳断口特征的影响。研究结果表明,虽然残余压应力诱发裂纹闭合,但由于喷丸后表面粗糙度的大幅提高增强了缺口效应,表面加工硬化使得韧性有所降低,以及残余应力在加载过程中发生松弛等因素,喷丸后单边带缺口试样的裂纹萌生过程缩短,疲劳寿命降低,且裂纹扩展速率的变化较小。喷丸前后疲劳断口形貌均为准解理特征,喷丸后断口近表面处的撕裂棱特征消失。     

激光温喷丸诱导的铝合金焊接接头表面残余应力稳定性研究

研究激光温喷丸强化铝合金焊接接头的表面残余应力释放规律及其对疲劳寿命的影响。以6061-T6铝合金焊接接头为研究对象,分别采用激光温喷丸和常温激光喷丸强化处理,围绕抗拉疲劳寿命与残余应力释放规律开展研究。使用XRD衍射方法检测疲劳过程中焊缝及热影响区的残余压应力,研究激光温喷丸诱导残余压应力的释放规律,并基于J-C本构模型推导循环载荷作用下残余应力释放的分析模型。在应力比0.1,最大应力120 MPa,频率10Hz,拉拉正弦波加载条件下,比较测试激光温喷丸、激光喷丸和未喷丸试样的抗拉疲劳寿命。结果表明,激光温喷丸诱导的铝合金焊接接头表面残余应力稳定性大幅提高,并最终显著提高了接头的疲劳寿命。     

喷丸改善Q235B焊接接头残余应力场的数值模拟

目的 建立随机喷丸模型,模拟喷丸改善Q235B焊接接头残余应力场.方法 首先,建立Q235B焊接接头模型,通过间接耦合法计算焊接残余应力.然后,将残余应力作为初始条件导入焊接接头喷丸模型,研究弹丸直径d、弹丸速度v、弹丸入射角θ和弹丸质量流量rm对焊接接头残余应力场的影响规律.最后,分析喷丸后焊接接头残余应力场的改善情况.结果 焊后焊缝横向残余应力 σx和纵向残余应力 σz分别可达227、196 MPa,调整喷丸参数可以消除残余拉应力并引入残余压应力.本仿真范围内,d=1 mm、θ=60°、v=60 m/s、rm=9 kg/min为最优喷丸参数,此时对于σx和σz,表面残余压应力分别可达–246、–275 MPa,最大残余压应力分别为–306、–310 MPa,最大残余压应力深度分别为0.24、0.27 mm,残余压应力层深度分别为0.78、0.66 mm.结论 无论是σx,还是σz,增大d和θ,最大残余压应力深度和残余压应力层深度显著增大;增大v,最大残余压应力、最大残余压应力深度和残余压应力层深度显著增加.因此,喷丸强化能够明显改善Q235B焊接接头残余应力场.     

ZK60高强度镁合金喷丸强化疲劳性能实验研究

为了研究喷丸强化处理对ZK60镁合金疲劳性能的影响,采用气动式喷丸机对ZK60高强度镁合金试样进行喷丸强化,利用X射线衍射技术对喷丸处理试样表面进行残余应力测试分析,并利用扫描电镜分析了镁合金试样表面晶粒尺寸变化,对所有试样进行疲劳性能测试,分析喷丸强化对ZK60镁合金疲劳性能的影响,同时对疲劳断口进行扫描分析。实验结果表明:喷丸强化在ZK60镁合金试样表面产生了一定的残余压应力分布,且残余压应力最大值可达-198 MPa,同时,喷丸强化可使ZK60镁合金试样表面粗糙度减小,喷丸区域晶粒得到明显细化,喷丸强化使得试样表面完整性得到极大改善,从而提高了ZK60镁合金材料的疲劳性能,喷丸试样疲劳寿命相对于未处理试样最大提高了36%,疲劳裂纹源由试样表面转移到喷丸强化层以内,从而抑制了疲劳裂纹的萌生。