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。     

喷丸强度对TC17及GH4169合金表面完整性和高温疲劳性能的影响

对钛合金TC17以及镍基高温合金GH4169光滑旋转弯曲疲劳试样进行喷丸强化,研究了不同喷丸强度下合金的表面粗糙度、表面残余应力和高温疲劳寿命。结果表明,喷丸后两种合金的表面粗糙度随着喷丸强度的增大而上升,当喷丸强度达到0.15 mm A以上时,表面粗糙度显著变大。喷丸后表面残余应力均为压应力,TC17合金的残余压应力的数值随着喷丸强度的增大呈现先增大再减小的趋势,而GH4169合金表面残余压应力数值随喷丸强度的增大而减小。在疲劳性能方面,TC17合金喷丸后的疲劳寿命随喷丸强度的增大呈现先增大再减小的趋势,特别是在高强度条件(大于0.10 mm A)下,喷丸反而降低了疲劳寿命,而GH4169合金的疲劳寿命随喷丸强度的增大而增大,说明不同合金对喷丸强度的优化工艺范围具有差别,钛合金对喷丸强度变化敏感性强。     

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.     

微粒子喷丸高速动车组车轴钢疲劳性能的影响因素研究

目的 研究微粒子喷丸EA4T车轴钢表面残余应力、组织结构强化层以及表面粗糙度对疲劳性能的影响.方法 使用250℃保温2 h和550℃保温4 h的回火工艺对微粒子喷丸试样进行处理,研究微粒子喷丸试样表面残余应力和组织结构强化层对疲劳强度的影响.分析喷丸及回火处理试样表面的粗糙度、三维形貌、深度方向残余应力分布、X射线衍射峰、半高宽以及表面硬度,并进行旋转弯曲疲劳实验,确定疲劳性能.结果 微粒子喷丸增加了试样的表面粗糙度,在表面引入了深度为80～100μm的残余压应力和加工硬化.微粒子喷丸将材料的疲劳极限由365 MPa提高至470 MPa.回火处理使得喷丸试样表面微观组织发生了回复,其硬度降低,残余应力松弛.250℃保温2 h和550℃保温4 h的回火处理使得喷丸试样的疲劳强度分别降低至450 MPa和430 MPa.结论 微粒子喷丸在EA4T车轴钢试样表面引入的残余应力和组织结构强化层对疲劳强度的提高分别约为16％和23.8％,而表面粗糙度则降低了疲劳强度,降幅约为10％.     

喷丸强化对23Co14Ni12Cr3MoE钢疲劳性能的影响

采用喷丸强化工艺在23Co14Ni12Cr3MoE高强度钢表面层引入了残余压应力,测定了喷丸工艺下的表面粗糙度、残余应力与疲劳寿命,对比了缺口试样(应力集中系数Kt=2)磨削加工与喷丸状态下的疲劳S-N曲线.结果表明,23Co14Ni12Cr3MoE高强度钢对喷丸强度的要求不同于一般的高强度钢,喷丸强度高时将产生过喷效应,导致疲劳寿命的降低,在优化的喷丸工艺条件下,缺口试样(Kt=2)在1×107循环周次下的条件疲劳极限提高了22%.     

喷丸强化对H13钢表面完整性的影响

为研究不同强度喷丸对H13钢表面完整性的影响,采用白光干涉仪、显微硬度计、XRD、SEM和EBSD等对喷丸前后H13钢试样的表面粗糙度、硬度、残余应力和表层微观组织等表面完整性进行了表征,并定量分析了未喷丸和经0.33A喷丸的试样表层组织的晶粒尺寸、晶界取向差及织构等的变化规律。结果表明,不同强度喷丸均改变了H13钢的表面完整性。喷丸在提高表面粗糙度和塑性硬化程度的同时引入了具有一定深度的残余压应力层。与未喷丸试样相比,经0.23 A喷丸后H13钢表面粗糙度提高了约152%。随着喷丸强度从0.23 A增大到0.33 A,硬化层深度由100μm增至160μm,残余压应力层深度由200μm增至300μm。H13钢的未喷丸组织的平均晶粒尺寸为950 nm,晶界平均取向差为33.5858°,主要存在强度较弱的{001}100和{110}111型混合织构;经0.33 A喷丸后距表面10μm处的平均晶粒细化至470 nm,晶界平均取向差增至39.0228°,组织中出现了两类{111}uvw和{hkl}110型板织构,且表层晶粒细化层深度达30μm以上。     

激光喷丸与机械喷丸复合强化对2124-T851铝合金疲劳寿命的影响

目的 研究激光喷丸(LSP)、机械喷丸(SP)及其复合强化(LSP+SP)对2124-T851铝合金四点弯曲疲劳寿命的影响.方法 激光喷丸强化的脉冲激光能量为6 J,脉冲宽度为20 ns,光斑直径为2 mm,半圆搭接.喷丸强化采用直径为0.3 mm的陶瓷弹丸,喷丸压力为0.2 MPa,喷丸覆盖率大于100％.采用X射线衍射的方法测定强化层的残余应力.采用显微硬度仪测定显微硬度.在MTS伺服试验机上测定试样四点弯曲疲劳寿命.使用扫描电子显微镜观察疲劳试样断口.采用列表梯形法分析计算试样的疲劳裂纹扩展寿命和萌生寿命,分析机械喷丸和激光喷丸强化层性能对疲劳寿命的影响.结果 LSP+SP试样残余应力场和硬度场近表层的数值与SP试样相近,表面残余应力为–260 MPa,表面硬度为178HV.LSP+SP试样残余压应力场和应变硬化场深度与LSP试样相近,可达3 mm以上.与未强化(AR)试样相比,SP、LSP和LSP+SP试样的平均疲劳寿命分别提高了214％、217％和312％.结论 喷丸强化的显著应变硬化作用提高了SP试样和LSP+SP试样的裂纹萌生寿命,激光喷丸强化引入的深层残余压应力场提高了LSP和LSP+SP试样的裂纹扩展寿命,LSP+SP复合强化兼具SP和LSP工艺的疲劳寿命强化作用.     

应力梯度对7075铝合金残余应力松弛的影响

分别采用淬火强化和表面喷丸强化工艺对7075高强铝合金试样引入结构和表层集中残余应力,研究循环载荷下具有不同残余应力状态的铝合金试样表层残余应力松弛规律.结果表明,淬火引入了单调的表面残余应力和显微硬度,而喷丸引入了表面残余应力梯度和显微硬度梯度.残余应力沿试样厚度方向分布的应力梯度为应力松弛的主要影响因素,可用于表征应力松弛程度.喷丸引入的表层残余应力均匀且梯度大,主要发生应力松弛;而淬火引入非均匀的结构应力且梯度较小,主要发生应力重分布.     

7075铝合金表面喷丸残余应力松弛的实验研究

采用喷丸引入表层残余应力,分析循环载荷时7075铝合金试样的应力松弛现象,讨论喷丸工艺引入的初始残余应力状态、表层显微硬度和表面粗糙度对疲劳抗性和残余应力松弛的影响.结果表明,喷丸引入的表层残余压应力是提高试样疲劳抗性的主要因素,但表层冷作程度与表面缺口效应对喷丸试样的低周与高周疲劳抗性与残余应力松弛有很大影响.循环应力水平接近高周疲劳极限时,经历高周疲劳残余应力无明显松弛;应力水平接近低周疲劳极限时,残余应力发生早期大幅松弛,且残余应力峰外移.     

喷丸结合振动光整加工工艺对钛合金疲劳性能的影响

目的提高钛合金的疲劳性能。方法采用喷丸结合振动光整加工工艺对TC4钛合金进行了表面加工处理。对未加工试样、经过喷丸处理后的试样和经过喷丸与振动光整加工工艺处理后的试样,分别进行了表面粗糙度、表面层残余应力测试,并对三种状态下的试样进行了旋转弯曲疲劳试验。对比了不同工艺处理后试样的表面粗糙度、表层残余应力及疲劳强度。结果与喷丸工艺相比,采用喷丸结合振动光整加工工艺对试样进行处理后,试样的表面残余压应力值提高了39 MPa,残余压应力峰值、残余压应力层的厚度略有降低。喷丸结合振动光整加工工艺在不明显改变试样残余压应力场的条件下,使试样的表面粗糙度得到大幅降低。疲劳试验结果表明,喷丸工艺使TC4钛合金的疲劳强度提高了16.3%,喷丸结合振动光整加工工艺使TC4的疲劳强度提高了23.8%,比喷丸后TC4钛合金的疲劳强度高出7.5%。结论在喷丸工艺的基础上,喷丸结合振动光整加工工艺通过改善TC4钛合金的表面完整性,使TC4钛合金的疲劳强度得到进一步提高。     

Ti-6Al-4V合金的陶瓷湿喷丸表面强化工艺

采用新型陶瓷湿喷丸强化工艺对 Ti-6Al-4V 合金进行表面处理,研究不同喷丸强度对 Ti-6Al-4V 合金微观组织、形貌及残余应力的影响,并通过拉-拉疲劳试验验证陶瓷湿喷丸的强化效果,分析喷丸前后的断裂机理。结果表明：湿喷丸后的表面粗糙度较干喷丸的低,表面粗糙度、残余应力和应力场深度均随着喷丸强度的增加而增加,最大残余应力达-895 MPa,压应力层深度约为250μm;拉-拉疲劳极限比初始的提高了12.4%。微观组织分析表明,喷丸处理后合金的表层位错密度显著增大,晶粒细化,表面形成超细晶。     

喷丸对DD6单晶合金表层状态及低周疲劳性能的影响

研究喷丸强化对单晶合金表面粗糙度、残余应力及梯度和组织形态等表层性能的影响,并通过低周疲劳性能实验评价喷丸参数的影响,结合表层性能和断口分析,探讨喷丸强化机理。结果表明:改进侧倾法适用于测试DD6单晶喷丸强化后的表面残余应力,极图法适用于测试喷丸强化残余应力梯度;经喷丸强化后,DD6单晶的低周缺口疲劳寿命明显提高,其中采用陶瓷丸、喷丸强度0.20 mmA试样的疲劳寿命最高,其平均寿命较原始试样提高6.5倍;随着喷丸强度提高,虽表面粗糙度增大,但DD6单晶残余压应力深度及表层位错密度增加,使其疲劳寿命延长。     

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。     

表面完整性对马氏体不锈钢疲劳性能的影响

研究了马氏体不锈钢表面喷丸强化后表面粗糙度，表面形貌，表面残余应力和表面层残余压应力场等表面完整性的变化及其对疲劳性能的影响，结果表明：马氏体不锈钢对表面粗糙度比较敏感，经喷丸强化后产生的残余压应力有利于提高疲劳寿命，且采用低喷丸强度时对疲劳性能更加有利。     

DZ125定向凝固合金的喷丸工艺

针对DZ125合金开展铸钢丸喷丸强化研究,分析了多种喷丸强度、覆盖率条件下合金700 ℃旋弯疲劳性能、表面残余应力和硬度梯度。结果表明:随喷丸强度的增大,中值疲劳寿命估计量逐渐增大,高喷丸强度时,700 ℃/500 MPa中值疲劳寿命估计量是原始试样的2倍;随表面覆盖率的增大,中值疲劳寿命估计量呈现先增大后稳定的趋势,当覆盖率达到400%时,中值疲劳寿命估计量达到稳定;高喷丸强度且表面覆盖率达到400%时疲劳极限为480 MPa,较原始试样疲劳极限(400 MPa)提高20%。残余应力和组织强化机制是DZ125合金喷丸的强化因素,随着喷丸强度的增大,残余压应力数值略有减小,但均明显大于原始状态;高喷丸强度时,覆盖率400%时DZ125合金表面产生超过200 μm深度的硬度场,且表面硬度较基体(430 HV0.1)提高37%。当缺口部位实际载荷大于屈服强度时,疲劳过程中残余应力和硬度都将明显松弛,经历700 ℃/600 MPa/1.5×10⁵周次的断裂试样,表面残余应力降低54%,表面硬度下降14%。     

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。     

喷丸对23Co14Ni12Cr3Mo超高强度钢 表面性能的影响

针对23Co14Ni12Cr3Mo超高强度钢材料，研究喷丸强化对其表面性能的影响。采用扫描电镜、白光干涉仪等设备，分析喷丸强化对试样表面形貌、粗糙度、硬度、残余应力、元素含量等的影响。结果表明:喷丸强化后，试样表面留有大量弹坑，产生明显塑性变形；表面粗糙度增大，算术平均粗糙度为1.33 μm；硬度显著增大，最表层硬度由喷丸前的HV 476增加至HV 497，硬化层深度约150 μm；试样表层的残余压应力值由375 MPa增加至475 MPa，最大残余压应力值约518 MPa，位于距表面50 μm深度处，喷丸形成的残余压应力层深度约为134 μm；喷丸后试样中C、Si、Cr等各元素的质量分数均略有增加。喷丸在一定程度上改善了23Co14Ni12Cr3Mo钢材料的表面性能，有利于提高其疲劳抗力和耐腐蚀性。     

About the role of residual stresses and surface work hardening on fatigue ΔKth of a nitrided and shot peened low-alloy steel

Nitriding and shot peening are surface treatments widely used to improve the fatigue strength of mechanical and structural components. Both treatments enhance the mechanical properties of the surface layer of material: nitriding mainly by means of chemical transformations and formation of a very hard case, shot peening mainly due to compressive residual stress field in the sub-surface layer of material.The combined application of nitriding and shot peening has not been adequately investigated in literature and the known data do not allow to define a general criterion to assess if and when shot peening application after nitriding can be useful. In this paper the effect of nitriding plus shot peening on fatigue strength of a low-alloy steel is investigated by means of experimental tests carried out on specimens containing a micro-hole, acting as a pre-crack. To analyse the role played by shot peening induced residual stresses, a series of specimens was heat-treated after shot peening, being the aim the partial removal of residual stresses without strongly modifying the mechanical properties of the surface layer of material. After a critical discussion of the results in terms of residual stress, micro-hardness trend and fatigue strength, an original fracture mechanics based approach is proposed to predict the threshold value of the stress intensity factor of nitrided and shot peened steels. The results are in good agreement with the experimental evidence.