300M钢喷丸强化残余应力场的数值模拟

利用有限元分析软件ABAQUS 6.12,建立了300M钢喷丸强化有限元模型,利用单弹丸多次冲击靶材的方式模拟喷丸过程中靶材表面发生的循环塑性变形。在控制相同动能输入的条件下,分别选取3种喷丸工艺,对不同喷丸工艺处理后的残余应力场进行有限元模拟并加以比较。结果表明:控制动能输入而改变弹丸尺寸与速度的3种工艺中,弹丸尺寸与速度分别为0.8mm与37m/s时,靶材获得"饱和"残余压应力场所需冲击次数最少,"饱和"残余应力场的分布也各不相同,残余压应力场强度是多个工艺参数的函数。     

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。     

复合小径喷丸强化对齿轮接触疲劳性能的影响

为研究复合小径喷丸强化对齿轮接触疲劳性能的影响，通过有限元模拟与喷丸强化试验相结合对复合小径喷丸强化效果进行分析，利用齿轮接触疲劳寿命试验验证复合小径喷丸齿轮的寿命提升效果。结果表明：相较于单次小径喷丸，复合小径喷丸能够获得更大的残余压应力，且表面粗糙度更小；随着喷丸强度和喷丸覆盖率的增大，残余压应力值均有所增大，且残余压应力最大值深度基本不变。通过喷丸强化试验，验证了喷丸有限元模型的合理性，且复合小径喷丸强化在齿轮表层引入高残余压应力和提升表面硬度的同时基本不改变粗糙度大小。齿轮接触疲劳寿命试验结果表明复合小径喷丸后齿轮副间的传动效率明显升高，疲劳寿命相当于未喷丸齿轮的2.38倍，寿命提升效果明显。     

喷丸成形及强化对2024HDT-T351板材疲劳特性的影响

目的获得喷丸成形及喷丸强化工艺对2024HDT-T351板材疲劳特性的影响规律。方法设计了一种不传载的含紧固件单细节结构疲劳品质试验件,各组试验件相同,变化各组的喷丸参数,进行了试验基准组、喷丸强化组和4种不同参数喷丸成形组、4种不同参数喷丸成形后喷丸强化组的疲劳试验。结果通过疲劳试验和数据处理,获得了各组的疲劳性能、细节疲劳额定值和在相应应力水平下的疲劳寿命。试验结果表明,所有组的细节疲劳额定值均高于试验基准组,其中喷丸强化试验组的疲劳性能提高了24%,喷丸成形试验组的疲劳性能提高了9%~13%,喷丸成形后喷丸强化试验组的疲劳性能提高了9%~24%。结论给出了2024HDT-T351板材喷丸成形及强化疲劳分析合金和表面处理系数B。2024HDT-T351铝合金板材经喷丸强化后、经大弹丸喷丸成形后和经大弹丸喷丸成形后喷丸强化,疲劳分析时合金和表面处理系数B可保守取1.2、1.05、1.05。     

航空弓形结构框喷丸强化变形计算及工艺规范建立

目的研究航空弓形结构框喷丸强化变形的力学理论、有限元模拟的预测方法,建立喷丸强化工艺规范,为国内航空工业中的喷丸工艺提供一定指导。方法首先利用有限元软件ABAQUS进行若干组不同喷丸速度的随机弹丸撞击模拟,创建与喷丸平均速度相关的喷丸诱导应力数据库,在此基础上,进行弓形结构框喷丸强化变形的理论预测和有限元仿真。在ABAQUS环境下开发一个快速模拟不同喷丸参数下弓形结构框喷丸强化变形的插件,实现各种不同类型的弓形结构框的自动前处理以及理论解和仿真解的给出。在以上研究的基础上,发展一套快速确定各类弓形结构框喷丸强化参数的工艺规范。结果针对某型号弓形结构框,在相同的喷丸参数下,理论计算的最大变形量为1.25 mm,有限元计算的最大变形量为1.13 mm,实验结果为1.8mm。结合计算预测和工艺规范,确定了喷丸矫形区域及参数,最终弓形结构框的变形为0.15 mm,满足精度要求,验证了计算预测与规范的有效性。结论分析认为,建立的理论预测方法和有限元方法可以快速准确地预测弓形结构框喷丸强化变形结果。本研究对于国内航空工业中弓形结构框喷丸强化变形的快速仿真以及理论预测具有较大的工程价值。     

TC18超高强度钛合金喷丸残余压应力场的研究

采用X射线衍射及相应交相关定峰法，通过电解抛光逐层测定了TC18超高强度钛合金喷丸的残余压应力，并分析了残余压应力场的特征及规律，同时研究了在交变应力和温度下残余压应力的松弛，结果表明，残余压应力场中的最大值为材料的本征参数，它与喷丸强化工艺无关，这对超高强度钛合金喷丸工艺的制定和应用具有重要意义。     

喷丸除锈过程及效果的数值模拟研究

目的模拟研究喷丸除锈工艺的过程和处理效果,为优化工艺参数提供指引。方法以建筑用低碳钢及其锈蚀产物为研究对象,利用单元去除技术和周期性胞元方法建立有限元模型,模拟多个丸粒随机撞击和氧化层去除的过程,并与文献中的实验数据进行了对比验证,从氧化层去除速率、去除后的表面粗糙度和表层残余应力三个角度分析喷丸除锈工艺的效果。结果提高除锈效果可从增大丸粒入射速度和丸粒直径来入手,氧化层越厚喷丸除锈处理的时间越长。结论喷丸除锈工艺能有效去除锈蚀层,同时改善表面粗糙度和引入残余压应力,具有较广的应用前景。有限元模拟能为该工艺优化提供便捷的研究途径。     

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。     

复合喷丸强化对A-100钢旋转弯曲疲劳寿命的影响

对未喷丸、一次喷丸和复合喷丸的A-100钢试样进行了表面形貌、表面粗糙度、残余应力场及旋转弯曲疲劳寿命的测试,研究表面形貌、表面粗糙度、残余应力场和旋转弯曲疲劳寿命的关系,揭示A-100钢复合喷丸强化机理。结果表明：与一次喷丸相比,在表面形貌方面,复合喷丸可获得更为平整的表面形貌和更低的表面粗糙度值,复合喷丸后,Rz值较一次喷丸降低24%~47%;在残余应力方面,复合喷丸的最大残余压应力值、最大残余应力值深度和最大残余应力场深度基本无变化,而近表层（0~100 μm）的残余压应力值增大。表面形貌的改善及残余压应力场是复合喷丸强化效果的两个主要成因。在一次喷丸的基础上,复合喷丸可进一步提高A-100钢的疲劳寿命,且可以在较低的喷丸强度下获得更优的强化效果。在σ_max=1000 MPa,R=-1条件下,其旋转弯曲疲劳寿命较未喷丸试样可提高50倍以上,较一次喷丸试样可提高5倍以上。     

300M钢表面喷丸强化工艺应用研究

目的 对比和研究300 M钢的铸钢丸和陶瓷丸喷丸强化后的效果,选择合适的300 M钢喷丸强化工艺.方法 采用铸钢弹丸和陶瓷弹丸以不同喷丸强度对300 M钢表面进行喷丸强化,研究对300M钢表面粗糙度、表面残余压应力及疲劳寿命的影响.结果 随着喷丸强度的增大,300 M钢表面粗糙度增大,但在相同或相当的喷丸强度下,采用陶瓷弹丸喷丸强化可获得更小的表面粗糙度;试样表面残余压应力均为先增大后减小,分别在喷丸强度为0.25A和0.2A时达到最大值.在大应力水平试验条件下,两种弹丸不同喷丸强度下的300M钢中值疲劳寿命增益均不明显;在小应力水平试验条件下,两种弹丸不同喷丸强度下的300 M钢中值疲劳寿命增益差异显著,铸钢弹丸喷丸强化最大值达到22,陶瓷弹丸喷丸强化最大值达到38.结论 铸钢丸和陶瓷丸喷丸均可以提高300 M钢的疲劳寿命.相对于铸钢丸喷丸,300M钢的陶瓷丸喷丸后的粗糙度水平更低,疲劳寿命更长.     

残余应力和表面形态对60Mn疲劳性能的影响

喷丸产生的表层残余压应力使中温回火弹簧钢60Mn的疲劳极限从930提高到1010MPa,而心部的高残余拉应力又会使疲劳极限从1010降至940MPa,严重的喷丸表面损伤可以使疲劳极限从1010降至800MPa。裂纹在计入残余应力的Mises等效应力超过材料局部强度的部位萌生。喷丸产生的残余压应力可以增强裂纹闭合效应,从而降低裂纹扩展率。     

热处理对超声喷丸TC4疲劳性能的影响

对TC4进行超声喷丸（USSP）处理得到表面梯度结构,并于350 ℃分别进行60、120、180和240 min热处理。采用光学显微镜（OM）表征其微观组织,X射线衍射仪（XRD）测得残余应力场分布;通过扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）分别对其疲劳断口形貌、裂纹源组织进行表征。结果表明,超声喷丸处理引入的残余应力场,随热处理时间的延长,残余应力特征参数值（σ_srs、σ_mrs、Z_m和Z₀）逐渐降低。原始试样疲劳裂纹从表层萌生,超声喷丸试样疲劳裂纹以单一裂纹源形式从次表层萌生,超声喷丸+热处理试样以多源裂纹形式从次表层萌生。     

疲劳裂纹萌生的微细观过程与内部疲劳极限理论

通过对现有的各种疲劳裂纹萌生（形核）模型的分析以及对表面形变强化材料疲劳裂纹萌生现象的大量观察与分析,发现现有形核理论有若干不足。为此,提出了新的“疲劳裂纹萌生微细观过程理论”,并进而提出了表征金属材料疲劳性能的又一个新的特征参量——“内部疲劳极限”。根据提出的新理论,可对目前许多难以理解的疲劳现象,给出较圆满的解释。     

喷丸处理EA4T车轴钢疲劳性能和残余应力松弛行为研究

目的 研究不同喷丸工艺处理EA4T车轴钢的疲劳性能和破坏行为,并分析表面影响层性能,尤其是表面残余应力对疲劳强度的影响机理。方法 采用传统喷丸（CSP）和微粒子喷丸（MSP）工艺分别对EA4T车轴钢进行处理,对不同喷丸处理后的试样进行表面性能分析,然后采用旋转弯曲疲劳试验机进行疲劳试验,获得疲劳S-N曲线和残余应力松弛过程,并通过扫描电镜对发生疲劳失效的断口进行观察。结果 与CSP相比,MSP可以引入更高的表面硬度和残余压应力,同时又可以有效地减小表面粗糙度。喷丸可以有效地提高试样的疲劳性能,CSP和MSP分别提升了试样疲劳极限的25%和33%。所有喷丸试样残余应力松弛与循环次数（10≤N≤107）之间存在线性关系,这个线性关系可以用经验公式定量描述。在相同加载应力下,CSP试样的残余应力松弛过程比MSP试样更快,当试样在疲劳加载过程中发生残余应力松弛后,剩余的残余压应力高于初始值的80%时,疲劳失效不会发生。所有试样的疲劳裂纹均萌生于表面,喷丸没有改变试样的疲劳断裂机制。结论 与CSP相比,MSP可以引入更优的表面影响层,在相同加载应力下有更加缓慢的残余应力松弛过程,从而可以进一步提高试样的疲劳性能。另外,残余压应力、表面完整性是影响疲劳极限提升的主要因素。     

焊接结构残余应力的测定及其对疲劳裂纹扩展速率的影响

采用Ｘ射线法和切割应力释放法测定了焊接件残余应力的分布．研究了它们的分布规律．由于切割应为释放法可以近似模拟裂纹扩展时的残余应力的变化，从而查明了残余应力对疲劳裂纹扩展速率的影响。     

INFLUENCE OF RESIDUAL STRESS AND SURFACE MORPHOLOGY ON FATIGUE PROPERTIES OF STEEL 60Mn

Influence of residual stress and surface morphology induced by shot-peening on fatigue behav-ior of a medium temperature tempered spring steel 60 Mn has been studied.The compressiveresidual stress induced in the near-surface region may improve fatigue limit from 930 to 1010MPa,and the very high tensile residual stress in the interior may reduce it from 1010 to 940MPa,whereas the severe surface damage may cause a drop-off of it from 1010 down to 800MPa.Fatigue cracks initiated in such position where the equivalent Mises stress,includingresidual stress,exceeded the local strength of the material.The compressive residual stress,induced by shot-peening,may intensify the effect of crack closure,so as to decrease the crackgrowth rate.     

RESIDUAL STRESS CONCENTRATION AND ITS EFFECTS ON FATIGUE LIMIT AND SHORT CRACK GROWTH

Residual stress concentration at a notch depends on both notch geometry and yield strength ofthe material.It varies through the depth,and its magnitude may be higher than the theoreticalone.Compressive residual.stress concentration at the notch of shot-peened specimen of softmaterial is easily to he relaxed,with the surface damage during shot-peening results in a mi-nor contribution to the fatigue limit.Compressive residual stress increases the crack closureeffect at the notch and may lead to a non-propagating crack.     

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 应用应力场强法对旋弯疲劳和扭转疲劳极限进行了分析,并通过3种金属材料的旋转弯曲和扭转疲劳试验加以验证,结果表明,旋转弯曲疲劳极限和扭转疲劳极限之间的关系同解析表达式给出之间的吻合得非常好,因此得到结论,应力场强法能够比较好的描述两种疲劳强度极限之间的关系。     

扩径过程应力循环特征分析

根据机械扩径机工作特点,分析拉杆应力循环特征,在求得拉杆疲劳极限的情况下,估算了拉杆抗疲劳安全系数,对高材质、厚壁直缝埋弧焊管扩径生产工艺的设计,具有重要参考价值。     

论贯穿于冷卷圆簧制造工艺全过程的残余应力

论述了贯穿于冷卷圆弹簧制造工艺全过程的残余应力，包括冷卷、回火、渗氮、喷丸、施加预应力处理等工艺中的残余应力变化。研究表明，弹簧的残余应力状态（包括残余应力的正负量值与方向）是唯一贯穿于弹簧制造过程的物理量，控制每道工艺簧内的残余应力状态，就是控制了弹簧的疲劳抗力、应力松弛抗力以及永久变形抗力。