光整滚光和开缝衬套挤压孔结构 表面完整性及疲劳行为研究

目的 澄清光整滚光和开缝衬套挤压孔结构疲劳行为和强化机制的区别。方法 采用传统钻-铰、光整滚光、开缝衬套挤压等三种不同工艺,制备TA15钛合金含ø8.75中心圆孔疲劳试样,通过恒幅拉-拉对比疲劳试验和疲劳数据统计分析方法,评价不同工艺制备孔结构的抗疲劳性能。采用体式显微镜观察孔端和孔壁形貌,用触针式表面粗糙度轮廓仪测试孔壁表面粗糙度,用X射线衍射应力测定法测定孔端表面残余应力,用透射电子显微镜观察孔壁材料微观结构,用显微硬度计测定孔壁显微硬度点阵等技术和方法,分析了不同工艺制备孔结构表面完整性。通过扫描电子显微镜标定疲劳断口辉纹平均间距与裂纹长度,用数码长焦显微镜标定孔端表面裂纹长度与疲劳循环周次的关系,并定量分析了不同工艺制备的孔结构疲劳裂纹萌生寿命和裂纹扩展速率。结果 光整滚光和挤压强化分别提高连接孔中值疲劳寿命63%和317%。光整滚光可降低孔壁表面粗糙度Ra至0.52 μm,但改变孔壁附近残余应力状态能力有限,且会在孔端形成尖锐的材料凸瘤;挤压强化后,孔壁表面粗糙度Ra为0.73 μm,在孔壁引入4 mm深、峰值达-500 MPa的残余压应力区,并大幅提高孔壁材料位错密度,且孔端无材料凸瘤产生。结论 光整滚光提高孔结构疲劳寿命的主要机制是,通过降低孔壁表面粗糙度延长裂纹萌生寿命。挤压强化主要机制是,通过引入大深度、高幅值的残余压应力和改善材料微观结构延长裂纹萌生寿命和裂纹扩展寿命。因此,挤压强化优于光整滚光技术。考虑到实际机械结构中多为叠层特征孔结构,挤压强化因为不会在孔端遗留材料凸瘤,更有利于保证夹层间隙安装要求。     

芯棒锥面结构对孔冷挤压强化残余应力场的影响

为了在紧固孔周引入均匀的残余压应力,以延长紧固孔构件的疲劳寿命、提高其抗应力腐蚀性能,利用ANSYS有限元软件,建立了轴对称弹塑性有限元模型,对直接芯棒冷挤压强化过程进行了仿真,特别是对芯棒的前锥段曲线结构形式进行了设计与分析,研究了前锥段曲线形式对残余应力场分布的影响.结果表明:孔壁表面的周向残余应力分布复杂且不均匀,比较而言,外凸型正弦曲线型芯棒所产生的残余压应力沿孔壁深度方向分布更加均匀;几种曲线形式的芯棒在上表面近孔边区域均产生了径向残余拉应力,在孔的挤入段产生了轴向残余拉应力,但外凸型正弦曲线型芯棒在上述区域所产生的残余拉应力较小,且分布区域也较小.     

开缝衬套挤压工艺影响TA15孔疲劳增益研究

采用对比疲劳试验方法,研究了相对挤压量、终铰参量、衬套开缝放置角度等工艺参数和特征对开缝衬套挤压TA15钛合金连接孔疲劳增益的影响。结果表明,开缝衬套挤压技术可有效提高TA15钛合金孔结构疲劳强度,延长其疲劳寿命；相对挤压量越大,孔挤压疲劳增益越大,但是TA15钛合金对挤压量非常敏感,微小的相对挤压量波动会导致显著的疲劳增益波动；在完全去除开缝衬套在孔壁遗留的材料凸脊前提下,0.190 mm和0.065 mm两种单边终铰参量对TA15孔结构挤压疲劳增益有明显影响,0.190 mm单边铰削量时挤压疲劳增益更大,而非终铰参量越小越好；在s_max=400 MPa,R=0.1疲劳载荷条件下,衬套开缝与试样最窄截面平行放置,仍能够获得明显的疲劳增益,但相对于与试样与最窄截面呈90°放置,疲劳增益会略有下降,建议在实际孔挤压操作中,衬套开缝尽量避开最窄截面放置。     

疲劳载荷对17CrNiMo6喷丸强化层残余应力与组织的影响

高强度渗碳钢17CrNiMo6常用喷丸强化工艺来改善抗疲劳性能,但疲劳载荷会使喷丸强化层的残余应力与组织发生改变,削弱了强化效果。采用X射线衍射方法研究了其残余应力、半高宽和残余奥氏体随疲劳载荷周次的变化规律,同时研究了喷丸前后表面形貌、硬度和组织的变化。结果表明,喷丸与二次喷丸强化层残余应力场在疲劳载荷前100周次内发生了应力松弛,松弛幅度分别为50%与33%,之后基本保持稳定。半高宽随载荷周次的增加分别下降了5%与7%,而残余奥氏体含量变化不大。此外,喷丸处理增加了材料表层残余压应力,细化了晶粒尺寸,使疲劳寿命提高了11%;二次喷丸可进一步增加材料表层残余压应力,细化晶粒尺寸并改善表面形貌使材料疲劳寿命提高了23%。因此在评估喷丸工艺强化效果,预测喷丸处理后零部件的疲劳寿命时,宜采用松弛后的残余应力作为衡量参数。     

孔边倒角对直接芯棒孔冷挤压残余应力场的影响

采用大变形弹塑性接触分析有限元方法,对倒角孔的直接芯棒冷挤压强化工艺进行仿真分析,研究不同大小倒角的孔结构经强化后的周向残余应力分布。结果表明:网格尺度会影响计算结果精度,网格尺度不合理不能得到正确的数值计算结果;在孔的挤入端加工的倒角,外圆直径应小于芯棒工作段直径,在孔的挤出端加工的倒角,外圆直径应大于芯棒工作段直径,这样对采用直接芯棒孔冷挤压强化工艺提高孔结构的抗疲劳性能更有益。     

某重载车辆悬挂系统压簧断裂失效分析

对某重载车辆悬挂系统断裂压簧进行了宏/微观断口形貌观察、理化检测、工艺分析和服役环境综合分析,找出了该压簧发生断裂的原因。研究发现,由于采用了支撑圈与第一工作圈相接触的设计形式,服役中两圈接触、碰撞导致磨损,从而使簧丝磷化膜和漆层脱落,造成簧丝表面腐蚀并形成腐蚀坑。腐蚀坑引起的应力集中诱发了疲劳裂纹萌生,并在最大主应力作用下沿垂直主应力方向不断扩展,最终导致压簧的正应力断裂。最后提出了避免发生此类失效的建议。     

基于最大能量释放率原理的裂纹扩展算法的改进

在基于最大能量释放率判据(Maximum energy release rate,MERR)的复合型裂纹扩展分析中,因需要对多个虚拟裂纹扩展方向进行试算和迭代运算,这会大大增加计算量,特别是为保证计算精度不得不选取很小的试算转角增量时,该问题会很突出。为此,提出分别基于有限差分法(Finite difference method,FDM)和最大周向应力判据(Maximum tangential stress,MTS)的裂纹转角预测方法,以减小计算量或提高计算精度。推导相关计算公式和算法,利用FORTRAN与ANSYS参数化设计语言(ANSYS parameter design language,APDL)语言混合编程的方法实现了基于ANSYS有限元环境下的裂纹扩展自动分析,并通过对带孔薄板的疲劳裂纹扩展分析,验证了所提出方法的有效性。分析发现,FDM的预测误差小于MTS的预测误差。MTS预测的转角误差曲线与转角曲线的一阶导数有相同的变化规律,而FDM预测转角的误差曲线与转角曲线的二阶导数有相同的变化规律。根据MERR和MTS判据得到的K_(Ⅱ)值趋近于零,这与局部对称判据(Local symmetry,LS)一致,但MERR和LS判据的计算结果更接近。     

HXD1机车小齿轮轴断裂失效应力分析

HX_D1机车牵引电机小齿轮轴的两个疲劳源位于齿轮轴大端油槽-油孔交界处,相对于油槽谷底直径平面呈反对称分布,且不在油槽谷底.为深入研究应力在疲劳裂纹源萌生位置和裂纹萌生过程中的作用,本文基于有限元法建立了HX_D1机车牵引电机转轴组件有限元细节应力分析模型,分析了在齿轮副啮合力作用下小齿轮轴的细节应力及分布状态.计算结果表明:小齿轮轴大端油孔两侧的两个应力集中点关于油槽谷底直径平面呈现反对称分布,这与裂纹源的实际位置吻合;从小齿轮轴锥端向齿端观察,油孔左侧应力集中点第一主应力值较右侧大(约26 MPa),这一区别导致左侧首先萌生疲劳裂纹的概率增大,该分析结果与失效小齿轮轴失效样本统计分析结果吻合.计算结果证实,油槽-油孔交界处呈反对称分布的应力集中在小齿轮轴的疲劳裂纹萌生过程中起决定性作用,建议采用表面机械强化的方法在两个疲劳危险点引入适当的残余压应力,以改善小齿轮轴的抗疲劳性能.     

管道涡流信号的有限元仿真研究

远场涡流检测技术是检测金属管道缺陷的重要方法。为了解管道涡流信号特征,提高管道缺陷检出率,建立了管道远场涡流检测的二维有限元仿真模型,并以图形形式详细分析了管道远、近场区涡流信号的幅值和相位沿管道轴向和径向的变化特征。结果表明,沿轴向,信号幅值在近场区呈指数衰减,在远场区衰减缓慢,信号相位在近场区和远场区均变化较小;沿径向,近场区信号幅值在管腔衰减迅速,在管壁材料中呈峰状突变,在管外变化不明显,远场区信号幅值在管壁材料中也呈峰状突变,但相对近场区,幅值较小,而在管腔和管外变化不明显;无论远场区还是近场区,信号相位在管壁材料中突变都很厉害,相反在管腔和管外,变化不明显,对实际检测工作有重要的指导意义。     

金属材料超声表面强化技术的研究与应用进展

简要回顾几种传统的表面机械强化技术及其特点。对近年来得到迅速发展和应用的金属材料超声表面强化技术进行介绍和评述。这包括超声冲击处理技术、超声喷丸强化技术和超声深滚强化与滚光技术。介绍以上几种技术在国内外的研发和应用的历史和现状,对比几种技术在不同应用中的特点与限制,并与传统的表面机械强化技术进行比较。展望金属材料超声表面强化技术的发展与应用前景。在总结归纳的基础上,从强化机理、强化工艺、工程应用和技术规范等方面提出金属材料超声表面强化技术的研究和应用发展建议。为相关技术领域的研究机构、研究人员和工程应用单位提供有关金属材料超声表面强化的较为全面的信息。