超声滚压强化7075铝合金工件表面性能的研究

目的探究超声滚压强化技术对7075铝合金工件表面性能的影响。方法对7075铝合金棒状试样精车加工后进行了超声滚压强化处理。综合使用粗糙度测量仪、表面显微硬度仪、金相显微镜以及X射线衍射应力分析仪,研究了处理前后工艺参数中的压下量对试样的表面粗糙度、表面显微硬度、表面微观组织及表面残余应力等表面性能的影响。结果超声滚压强化处理后,试样表面粗糙度由0.976μm降低至0.047μm,表面显微硬度由105.6HV0.2提高至119HV0.2,显微硬度提高了15%。精车加工后,精车试样的表层组织与心部组织几乎无变化。超声滚压强化后,相对心部组织而言,表层晶粒组织得到显著细化,表层均为残余压应力,压应力深度为1.75 mm。残余压应力最大值位于最表层,最大为-174.0 MPa,且距离最表层越远,残余压应力总体呈减小趋势。结论通过对比研究精车试样与超声滚压试样,发现超声滚压强化工艺可以大大地降低试样表面粗糙度,显著地细化表层试样晶粒与提高表面硬度,改善残余应力的分布,并引入一定深度的残余压应力。     

超声表面滚压改善45#钢表层特性及疲劳性能的研究

目的研究超声表面滚压处理(Ultrasonic Surface Rolling Process,USRP)对45#钢表层特性及疲劳性能的影响。方法利用超声表面滚压设备处理45#钢,观察分析处理前后试样的表层特征、状态、微观结构,采用旋转弯曲疲劳试验研究试样疲劳性能,通过升降法测取疲劳极限值。结果 USRP处理后,试样表面形貌显著改善,表面粗糙度由之前的3.2μm降低到0.23μm,显微组织细化,晶粒取向趋于随机分布,表层显微硬度相比心部提高56%左右,强化层厚度可达400μm,残余压应力由-180 MPa提高到-532 MPa,疲劳极限值由296 MPa提高到403 MPa。结论通过USRP处理,试样的表层特性及表面性能得到强化改善。疲劳性能的提高主要归因于USRP处理使材料表面粗糙度降低,晶粒细化,显微硬度与残余压应力提高。     

7075铝合金三种表面强化工艺对比试验

采用机械喷丸、激光冲击强化与深滚压三种表面强化工艺处理7075高强铝合金试样,在表面残余应力水平相当的情况下分析表面粗糙度、表层显微硬度与表层残余应力场的分布特性及对疲劳性能的影响方式与程度。结果表明,表面强化工艺引入的表层残余压应力场的分布合理性及其抵抗外部应力松弛的能力是改善试样疲劳寿命的最关键因素,机械喷丸与激光冲击强化处理的应力影响层浅且表面粗糙度导致的应力集中程度较大,对低周大应力疲劳性能的改善作用较为有限,而深滚压处理的应力场影响层深且具有高的稳定性,可同时改善试样的高周与低周疲劳性能。     

超声表面滚压纳米化技术研究现状

传统表面纳米化多采用机械处理法,利用剧烈的塑性变形(SPD)使材料表面生成高强度、高硬度的纳米层,但其表面粗糙度高且存在严重集中的应力变形.超声表面滚压(USRP)纳米技术中,滚压头按照预定路线处理材料表面,能同时改善表面粗糙度和强度、硬度.介绍了USRP表面纳米化工艺机理和工艺参数.USRP引起晶体缺陷反复湮灭与再生,高位错能材料以"位错分割"方法细化晶粒至纳米量级.结合国内外现状,联合晶粒细化机理分析USRP处理前后材料性能的变化,包括表面粗糙度和残余应力、扩散性能、耐腐蚀性能、抗疲劳性能和耐磨损性能.综合阐述了USRP复合工艺对材料性能的影响,包括等离子氮化(PN)、高能离子注渗技术(HEII)、加热辅助等.剧烈塑形可增加材料表面活性,加速渗氮反应进行;USRP+HEII处理后,高转速下未出现疲劳磨损,材料的耐磨性能和疲劳性能提高;加热辅助USRP可实现晶粒细化和应变强化;Al2O3粉末结合USRP可实现表面纳米化和高硬度Al2O3薄膜.最后对USRP技术进行了展望,可深入研究中低层错能纳米化机理,强化USRP工艺标准研究,加快USRP复合工艺的发展.     

TC4合金在不同表面强化状态下的微动磨损性能研究

目的 研究喷丸(SP)及表面超声滚压(USRP)强化后摩擦系数、残余应力场及塑性应变场对TC4合金微动磨损性能的影响。方法 分别对TC4合金表面进行SP及USRP强化处理,通过试验测得强化前后的表面粗糙度、残余应力以及显微硬度。基于改进的Archard磨损方程,在ABAQUS有限元软件中建立微动磨损的二维柱面/平面接触模型,借助ABAQUS中的子程序SIGINI和HARDINI分别将残余应力场、塑性应变场引入到表征微动磨损的UMESHMOTION子程序中,从而探究表面强化后摩擦系数、残余应力场以及塑性应变场对平面微动磨损性能的影响。结果 原试样经SP强化后,表面粗糙度增加,而经USRP强化后,表面粗糙度得以改善。经SP和USRP强化后,试样的显微硬度分别为原试样的1.28倍和1.23倍。TC4合金经USRP处理后,最大残余应力为–550 MPa,而SP处理后为–380 MPa。引入残余应力场后,试样的磨损深度明显减少,相比原试样,USRP、SP试样的磨损深度分别降低15%、10%。引入塑性应变场后,TC4合金的磨损深度降低了约6%。结论 相同载荷条件下,摩擦系数越大,磨损越严重。磨损轮廓会随着摩擦系数的增大而逐渐往外侧偏移,接触中心区域的磨损深度也随着摩擦系数的增大而越来越深。塑性形变行为会随着摩擦系数的增加而变得明显,且最终会使得塑性变形的区域变得越来越大。引入残余应力场和塑性应变场后,磨损量均会减小,残余应力的影响更为显著。通过微动疲劳试验发现,加入微动磨损作用后,试样寿命显著降低,USRP试样的抗磨损性能最显著。     

超声滚压工艺对镍基单晶高温合金DD6表面完整性和疲劳寿命的影响

目的 改善长期服役于高温高压环境的镍基单晶高温合金DD6材料的表面完整性,提高其使用寿命。方法 采用超声滚压表面强化工艺(Ultrasonic Rolling Process,USRP)对镍基单晶高温合金DD6试样进行表面强化,用正交试验法对三因素三水平的试样组进行试验,使用三维形貌仪、显微硬度仪、XRD射线衍射仪和MTS万能疲劳试验机探究静压力、进给速度和加工遍数等超声滚压参数对镍基单晶合金表面完整性和疲劳寿命的影响规律。结果 对于镍基单晶材料,超声滚压强化工艺能有效降低其表面粗糙度,提高表面显微硬度,并在材料内部引入一定的残余应力,并提升疲劳寿命。经USRP处理后,不同晶体取向的材料能够取得的最佳表面增益效果为,表面硬度从465HV提高到679.2HV,表面粗糙度从0.703 μm降低至0.253 μm,表面引入了约为782 MPa的残余压应力。不同晶向材料的疲劳寿命提升表现为,应力水平为742.4 MPa时,疲劳寿命提升1.3倍;应力水平为649.6 MPa时,疲劳寿命提升1.5倍。结论 超声滚压工艺能够有效降低DD6材料的表面粗糙度、提高表面显微硬度,并在表面引入一定的残余应力,疲劳断裂模式主要为沿{110}面的滑移断裂。在低于742.4 MPa的应力加载时,超声滚压强化可以明显提高DD6材料在高温下的疲劳寿命。     

超声表面滚压技术制备梯度纳米结构材料

介绍了超声表面滚压技术（USRP）在制备梯度纳米结构材料中的应用。USRP技术能在材料表面构建梯度纳米结构层并引入残余压应力,同时显著降低材料表面粗糙度并提升表面均匀性。讨论了与USRP加工工艺及过程密切相关的微观结构演变和表面特性,分析了不同材料体系及工艺参数对USRP处理的影响规律。研究表明,采用合适的USRP处理工艺可改善材料表面的力学性能,即硬度,强度,耐磨性及抗疲劳性能等,而腐蚀/氧化行为则更依赖于材料的组织结构、表面完整性、应力状态、不同的腐蚀介质及服役环境等因素的综合作用。此外,对USRP制备梯度纳米结构材料面临的一些基础科学问题和工业应用探索进行了讨论和展望。     

超声表面滚压处理铝合金钻杆的高温摩擦学性能

为了提高铝合金钻杆的耐磨性,利用超声表面滚压技术(USRP)对2219铝合金钻杆材料进行表面强化处理。采用透射电子显微镜(TEM)表征了USRP处理后铝合金的晶粒大小,采用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)和显微硬度计测量了强化层的微观形貌、相组成和显微硬度,并利用高温摩擦磨损试验机评价了试样的摩擦学性能,对磨副为玛瑙球。结果表明,经USRP处理后2219铝合金表面形成了纳米晶和厚度约500μm的塑性强化层,表面硬度由120 HV0.05提高至190 HV0.05。随着摩擦磨损试验温度的升高,未处理试样和USRP试样的平均摩擦因数和磨损率都逐渐增大。在相同试验温度下,USRP试样的平均摩擦因数和磨损率均小于未处理试样的。未处理试样和USRP试样的磨损机制主要是黏着磨损和磨粒磨损。     

7050铝合金高速二维超声滚压对表面质量的影响

为实现7050铝合金高效优质表面强化,将高速超声引入到二维超声滚压中,研究了7050铝合金高速二维超声滚压后的表面质量。首先采用单因素试验法对7050铝合金进行高速二维超声滚压加工试验,利用超景深测量仪和扫描电镜观察并对比分析了车削后与滚压后的表面形貌和微观组织;采用粗糙度测量仪、显微硬度计和X射线衍射仪测量滚压后的表面粗糙度、显微硬度和表面残余应力,并分析了不同工艺参数对表面质量的影响。结果表明:7050铝合金经高速二维超声滚压加工后,试件表面更为光滑,表层组织更致密,能有效降低表面粗糙度值、提高显微硬度,并形成残余压应力,表面粗糙度最低为0. 68μm,降幅达65%,表面显微硬度最大为156 HV0. 1,增幅达72%,表面残余压应力最高达-329. 5 MPa。在高速二维超声滚压中,7050铝合金工件表面粗糙度主要受静压力和转速影响,表面显微硬度受静压力、进给量和振幅影响较大,而表面残余压应力主要受进给量的影响。7050铝合金加工时表面组织及性能主要受冷塑性变形和温度场的综合影响,高速二维超声滚压加工工艺能够实现7050铝合金的优质高效强化处理。     

二维超声滚压7050铝合金的微观组织与力学性能

采用二维超声滚压加工方法对7050铝合金进行处理,研究二维超声滚压加工对铝合金表面微观形貌与力学性能的影响。结果表明:经过二维超声滚压处理后,铝合金表面微观形貌明显改善,当滚压次数为4次时,表面微观形貌最均匀;随着滚压次数增加,表面粗糙度值先减小后增大,最大降幅达73%。铝合金表面硬度值、残余压应力随滚压次数的增大而增大,且硬度最大提高了43%,表面残余压应力值最大为242.9 MPa。     

超声滚压对6061铝合金晶间腐蚀行为的影响

目的 研究不同静压力条件下形变诱导梯度变形层对6061铝合金晶间腐蚀行为的影响。方法 使用超声滚压技术(USRP，Ultrasonic surface rolling processing)强化6061铝合金表层，采用激光共聚焦、X射线衍射等方法研究酸化NaCl溶液体系下3种静压力条件对6061铝合金晶间腐蚀行为的影响。结果 随着静压力的增大，6061铝合金表层组织呈梯度变化，且形变层深度可延伸至近300 μm。在酸化NaCl溶液腐蚀加速条件下，在相同时间内滚压后试样沿晶腐蚀的路径大幅缩短，向下扩展的深度降低了50%，使得6061铝合金的抗晶间腐蚀性能显著提高。表征结果表明，晶间腐蚀扩展路径与表面粗糙度无相关性，它主要与第二相(AlFeSi相)在形变层中的弥散分布有关。未经USRP处理的6061铝合金在沿晶界连续分布的AlFeSi相促进下发生了明显的沿晶腐蚀。相比之下，经USRP处理后，AlFeSi相会因晶粒形变而呈断续分布，减弱了它在晶界区域对铝合金基体的电偶腐蚀作用，降低了腐蚀通道的连通性，从而阻碍了腐蚀路径的扩展。结论 USRP可提高6061铝合金的抗晶间腐蚀性能，其表面粗糙度并非是提高晶间腐蚀抗性的主要因素，经USRP细化和分散后的AlFeSi相是阻断沿晶腐蚀路径的关键因素。     

超声表面滚压加工对20CrMoH钢摩擦磨损性能的影响

目的提高20CrMoH钢的耐磨性能。方法设置不同的超声滚压力(700、1000、1300 N)与次数(3、6次),对20CrMoH钢进行超声表面滚压加工。采用扫描电子显微镜、粗糙度测量仪、光学显微镜、显微硬度测量仪、X射线应力分析仪、端面型滑动磨损试验机和3D形貌仪等设备,分别对加工前后试样的表面形貌、粗糙度、金相组织、显微硬度、表面残余压应力和摩擦磨损等性能进行对比分析。结果经过超声表面滚压加工的试样,与未处理试样相比,在各项性能上都有较大的提升。表面形貌更加光整,粗糙度Ra从0.82μm下降至0.331μm;表面显微硬度从760HV_0.2提高到856HV_0.2,提升了12.63%;表面残余压应力从–286 MPa提高到–565 MPa;磨损机制从未处理试样的以磨粒磨损和疲劳磨损为主转变为以磨粒磨损和氧化磨损为主。试样在1000 N的作用力下进行6次超声滚压加工后,材料的耐磨性能最好,与未处理试样相比,稳态平均摩擦系数大幅下降,磨损体积从2.29 mm³减小到0.74 mm³,减小了67.69%。结论超声表面滚压加工能有效改善20CrMoH钢试样的表面质量,细化表层晶粒组织,增加表面硬度与表面残余压应力,显著提升材料的耐磨性能。     

Experimental study of nonlinear Rayleigh wave propagation in shot-peened aluminum plates—Feasibility of measuring residual stress

Shot-peening is widely used in the aerospace industry to enhance the resistance of structural components to fatigue damage and stress corrosion by putting the outside layer of a component under an initial, residual compressive stress. The ability to measure these near-surface residual stresses is useful from a quality control and certification perspective, and can help predict the fatigue life of shot-peened components. This paper presents experimental results to examine the feasibility of measuring near-surface residual stresses using nonlinear Rayleigh surface waves. Experiments are conducted on aluminum alloy (AA 7075) samples shot-peened at different peening intensities and thus with different levels of residual stresses. The surface roughness of these samples is also measured. The nonlinear ultrasonic results show a large increase in the acoustic nonlinearity parameter, indicating the potential of nonlinear ultrasonics for the in situ measurement of near-surface residual stresses. The effects of surface roughness and the driving frequency on the measured acoustic nonlinearity parameter are briefly discussed. Finally, a preliminary model is used to interpret some experimental results. Future work to evaluate the separate contributions of cold work, residual stress and surface roughness to the total measured nonlinearity is also discussed.     

Experimental techniques for studying the effects of milling roller-burnishing parameters on surface integrity

Roller-burnishing is used in place of other traditional methods to finish 6061-T6 aluminum alloy. How to select the burnishing parameters to improve surface integrity (reduce surface roughness, increase surface microhardness and produce compressive residual stress) is especially crucial. This paper presents an investigation of the effect of roller-burnishing upon surface roughness, surface microhardness and residual stress of 6061-T6 aluminum alloy. The residual stress distribution in the surface region that was burnished is determined using a deflection-etching technique. Mathematical models correlating three process parameters: burnishing speed, burnishing depth of penetration and number of passes, are established. A Group Method of Data Handling Technique, GMDH, is used. It is shown that low burnishing speeds and high depths of penetration produce much smoother surfaces, whereas a combination of high speed with high depth leads to rougher surfaces because of chatter. The optimum number of passes that produces a good surface finish was found to be 3 or 4. The maximum value of compressive residual stress decreases with an increase in burnishing speed. The maximum compressive residual stress increases with an increase in burnishing depth of penetration and/or number of passes.     

7075-T6铝合金干式切削表面完整性研究

为了避免切削液对高强铝合金耐蚀性产生影响,针对7075-T6航空铝合金在绝对干式条件下进行正交切削实验,建立了表面粗糙度、残余应力以及显微硬化的经验公式,分析了切削参数对表面完整性的影响规律。结果表明:切削三要素对表面粗糙度的影响占主导地位,且进给量是影响其大小的主要因素,其次是背吃刀量,然后是切削速度;干切削状态下,切削速度的提高导致产生较大的拉应力;进给量减小造成硬化现象严重;切削速度提高,且在较大切深情况下,最大硬化层深明显提高。     

7050铝合金二维超声滚压加工残余应力场研究

目的研究二维超声滚压后7050铝合金残余应力场的形成过程和表层残余应力的分布规律。方法利用有限元软件模拟二维超声滚压加工,分析残余应力场的形成过程及表层残余应力的分布规律;采用正交试验方法进行7050铝合金二维超声滚压加工试验,研究工艺参数对表面残余应力的影响规律,并与有限元分析结果相对比,验证有限元模拟的合理性。结果在二维超声滚压加工过程中,7050铝合金表层材料应力随时间先减小后增大,最后趋于稳定,形成残余应力。残余压应力沿滚压深度方向先增大后减小,再转化为残余拉应力。残余压应力层厚度约为1.05 mm,最大残余压应力值约为285 MPa。在相同的工艺参数下,有限元分析结果与试验结果基本吻合。静压力对表面残余应力的形成影响最大,表面残余压应力随静压力的增大而增大。结论二维超声滚压加工使7050铝合金表面发生剧烈的塑性变形,并形成一定深度的残余压应力。铝合金表面残余压应力随静压力的增大而增大,而与转速和进给量无关。     

表面喷丸强化处理对TC11钛合金疲劳性能的影响

目的改善TC11钛合金的抗疲劳性能。方法采用喷丸表面强化工艺对TC11钛合金进行了表面强化处理,研究了喷丸强化处理、喷丸+二次喷丸强化处理对TC11钛合金试样表面粗糙度、残余应力、显微组织及疲劳性能的影响。结果喷丸处理能够在试样表层引入厚度约230?m的残余压应力场,但同时导致试样表面粗糙度值增加。喷丸后进行表面二次喷丸,试样表面残余压应力值和残余压应力峰值提高,但残余压应力峰值的位置和残余压应力层的厚度变化不大。二次喷丸对试样表面起到一定程度的修复作用,使试样表面粗糙度值降低。喷丸后试样表层组织发生明显的塑性变形,晶粒变细,而喷丸+二次喷丸处理可使试样表层组织得到进一步细化。喷丸处理后,试样的疲劳强度由480 MPa提高至540 MPa,提高了12.5%,二次喷丸使试样的疲劳强度提高至570 MPa,在喷丸的基础上继续提高了5.5%。结论喷丸后对试样表面进行二次喷丸对表层残余应力场的影响不大,二次喷丸主要通过降低试样表面粗糙度值和细化试样表层组织,使试样的疲劳强度得到进一步提高。     

超声滚压加工对X80管线钢焊接残余应力的影响

建立超声表面滚压加工（ultrasonic surface rolling process,USRP）的三维有限元模型,开发了模拟焊接的移动双椭球热源子程序,利用有限元软件ABAQUS模拟了X80管线钢焊缝不同方向的焊接残余应力,在此基础上叠加USRP的超声振动与静载荷的综合作用,模拟了表面塑形变形、应力和应变,耦合后分析了USRP前后残余应力的变化规律.结果表明,经过USRP处理,X80管线钢表面焊缝区由三向残余拉应力变为三向残余压应力,随着USRP次数的增加,残余压应力数值不断增大,残余应力σ_x,σ_y,σ_z变化规律基本相同.