喷丸条件对残余应力场的影响规律

采用试验方法研究了喷丸条件对残余挤压应力场的影响规律.试验对不同弹丸尺寸、不同覆盖率所形成的残余应力场采用X射线方法进行测量,结果表明,喷丸条件对残余应力场的深度和水平的影响存在如下规律:弹丸尺寸对残余应力场的深度影响明显,在相同的喷丸气压和喷丸强度下,大弹丸形成的残余应力场较深;弹丸覆盖率对残余应力水平影响明显,相同喷丸气压下,增加喷丸覆盖率则能提高残余应力水平;试件厚度对应力分布无明显影响.     

Effect of the impact energy of various peening techniques on the induced plastic deformation region

In order to clarify the relationship between the depth of dimples and the plastically deformed region beneath the surface induced by shot peening and compare the characteristics of various peening methods in terms of single impact energy, the plastic deformation regions induced by single impact at various peening techniques were visualized using Fry's etching method. The relationships between impact energy and both the dimple size and plastic deformation region in the high shot speed range (～50 m/s) were clarified, and the relationships were found to be different from those in the low speed range (～25 m/s). The plastic deformation zones induced by cavitation and laser peening were also studied in order to understand their features. The results showed that the ratio of the plastic deformation region to dimple depth induced by cavitation peening and laser peening was more than 3 times larger than that induced by conventional shot peening, though the plastic deformation volumes induced by cavitation and laser peening were smaller than that induced by conventional shot peening.     

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。     

Ti2AlNb金属间化合物喷丸强化残余应力模拟分析与疲劳寿命预测

目的 研究经喷丸强化处理后Ti2AlNb材料表层残余应力的分布特征,并预测残余应力对材料疲劳性能的影响规律。方法 通过贴应变片逐层钻孔法,对使用喷丸强化处理后的Ti2AlNb试样进行残余应力测试分析,得到引入残余应力场各方面的测试数据,结合ABAQUS数值模拟方式,对比分析试验与模拟残余应力场结果,获取材料的最终残余应力梯度。利用FE-SAFE软件,通过叠加残余应力场的方式,预测喷丸强化前后试样的疲劳寿命。结果 在文中加工参数下,实验测试和软件模拟结果的重合度良好。喷丸强化可在Ti2AlNb金属间化合物靶材内引入300 MPa左右的最大残余压应力,深度达到了0.12 mm左右。材料表面塑性应变分布不均匀,且造成的塑性应变距表面深度可达0.1 mm。通过喷丸强化引入残余压应力,预测的Ti2AlNb材料疲劳极限可提高12%,高低周疲劳寿命均有明显的延寿效果。结论 验证了有限元数值模拟此材料喷丸强化的准确性和可靠性,得到了Ti2AlNb材料喷丸强化的残余应力场。由于塑性变形诱发机制的限制,喷丸造成塑性应变分布不均匀,塑性应变层深小于残余压应力层深。此外,强化后材料的疲劳性能显著提高,疲劳极限有可观的提升,且高低周疲劳均有较好的延寿效果。     

喷丸对铝合金亚表面裂纹闭合修复的影响与试验

目的 研究喷丸修复7075-T651铝合金亚表面裂纹的愈合机理及修复效果。方法 建立材料亚表面裂纹在喷丸作用下的修复模型,运用Ansys进行数值模拟计算,并预测裂纹深度修复阈值;根据模型,利用线切割制造相应的裂纹,并对其进行喷丸修复,从残余应力、疲劳强度、微观结构等方面分析裂纹愈合的机理,并评估修复效果。结果 仿真结果表明,在弹丸直径D=0.5 mm、弹丸速度v=100 m/s时喷丸修复效果最佳,裂纹修复深度阈值为0.15mm;裂纹修复区域的表面应力为非裂纹区域的83.17%,实验结果与仿真结果相符;在修复裂纹后,试件的疲劳强度可以达到完好试样的70.32%。剧烈的喷丸冲击使裂纹亚表面材料产生较大的微观形变热,有利于组织形变,促使裂纹两侧的晶粒组织形成闭合挤压,宏观上表现为压应力下组织的紧密闭合,这种闭合起到了修复裂纹的作用,整体上属于物理性修复,但仍无法完全消除裂纹对材料的消极影响。结论 喷丸通过压力作用对亚表面材料的裂纹进行闭合修复,使材料的疲劳强度得到恢复,这对于铝合金结构件裂纹的早期修复和应急性修复具有积极作用。     

7050铝合金表面亚微米晶层摩擦磨损性能

采用增压喷丸方式在7050铝合金表面制备了亚微米晶层,观察并分析了亚微米晶层的组织结构,测试了喷丸前后的硬度,研究了亚微米化前后以及亚微米化后经退火处理3种状态下7050铝合金表面的滑动磨损特性,结果表明:由于增压喷丸使7050铝合金表面发生了严重的塑性变形而形成了一层厚度为30~40μm的亚微米晶层,硬度比未喷丸材料提高了2倍,喷丸后材料的磨损失重量明显减少,约为未喷丸处理试样的一半,特别是喷丸后经过退火的材料磨损量更小,表现出良好的耐磨性能。     

后混合水射流喷丸工艺对18CrNiMo7-6渗碳钢表面性能的影响

目的探究不同后混合水射流喷丸工艺对18Cr Ni Mo7-6渗碳钢表面性能的影响。方法运用超景深三维显微系统、三维表面形貌测量系统、X射线残余应力分析仪及HV-1000显微硬度计等,对后混合水射流喷丸前后试样的表面形貌、表面粗糙度、残余应力及显微硬度随层深的变化情况进行分析。结果后混合水射流喷丸时,弹丸和水会对试样表层产生一定的冲蚀、磨损、剪切作用,使试样表面产生新的凹坑。表面粗糙度Ra值随着喷射压力P及喷射靶距H的增加而增大,随着喷嘴移动速度v的增加而减小。试样显微硬度最大值都出现在表面,且随层深的增加,硬度值逐渐减小,喷射压力P=300 MPa时,表面硬度值达到62.8HRC,比试样初始表面硬度值增加了7.35%。试样材料所能引入的残余压应力具有固有最大值σmirs,当引入的残余压应力未达到σmirs时,所产生的最大残余压应力值σmcrs随喷射压力P的增加而增大,但随喷射靶距H和喷嘴移动速度v的改变变化不大。当引入的残余压应力达到σmirs时,所产生的最大残余压应力值σmcrs即为σmirs,不再改变,但是最大残余压应力距表面距离值zm仍会随着喷射压力P的增加而增大。结论后混合水射流喷丸后,试样表面粗糙度变化较大,表层显微硬度有一定提高。残余应力的分布主要与喷射压力P有关,而与喷射靶距H和喷嘴移动速度v关系不大。     

Surface nanocrystallization of commercial pure titanium by shot peening

The surface nanostructures of commercial pure titanium was realized by the modified shot peening equipment commonly used in industry through the special treatment process. The results show that high-energy-shot-peening(HESP) commonly used to prepare nanostructured surface layers can be achieved by the increase of pill size, pill speed, and treatment time in the commercial shot peening equipment. XRD, SEM and TEM were used to characterize the surface layer microstructure of treated specimens. The analytic results show that the main deformation mode of commercial pure Ti is twinning. At the beginning of deformation, the dislocations are formed and twins occur within or on plane, then twins in intersection plane appear, and at last the twin characteristics disappear in the surface layer after longer treatment time. The deformation layer depth increases with treatment time in a certain period when the pill size and speed are unchanged. And in the severe plastic deformation (SPD) layer in which the twins are not identified easily by using SEM, the nanocrystalline microstructures are found under TEM. The finest grain size in the surface layer is about 40 nm, and the depth of nanostructured layers is over 60 μm. The microhardness of the nanostructured surface layers is enhanced significantly after shot peening compared with that of the initial simple.     

喷丸工艺对TC4钛合金梯度纳米晶结构的作用规律

目的通过改变喷丸的压力或时间,在钛合金表面制备出剧烈塑性变形(SPD)层较厚、硬度较高的梯度纳米晶结构。方法改变喷丸压力(0.3~0.6 MPa)或喷丸时间(15~60 min),调控TC4钛合金表面梯度纳米晶结构的变形层厚度和纳米晶晶粒尺寸。利用金相显微镜观察塑性变形层截面的组织形貌,通过X射线衍射仪(XRD)和透射电子显微镜(TEM)确定喷丸表面纳米晶的晶粒尺寸,通过显微硬度计对塑性变形层的截面硬度进行研究。结果一定喷丸压力(0.6MPa)下,SPD层和总变形层厚度分别在喷丸25、30 min时达到饱和值78μm和143μm。一定喷丸时间(25 min)下,SPD层和总变形层的厚度随喷丸压力的增加而增厚,在0.4 MPa时达到饱和,分别为78μm和120μm。当SPD层厚度进入饱和阶段后,表层晶粒大小和硬度强化程度都趋于稳定;在0.6 MPa下,当表面α相细化至稳定阶段时,晶粒尺寸为30~90 nm,表面硬度提高约30%。结论喷丸SPD层及总变形层的厚度随喷丸时间的延长或喷丸压力的增大而增厚,当SPD层厚度趋于饱和后,表面晶粒尺寸和硬度强化程度都已饱和。     

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。     

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。     

基于ABAQUS的大尺寸弹丸喷丸过程数值模拟

利用ABAQUS软件建立了单弹丸和多弹丸的喷丸有限元模型,研究了大弹丸喷丸2024铝板的动力学过程,分析了弹丸直径和喷丸覆盖率对板材塑性应变和沿弹坑表面及厚度方向残余应力的影响。模拟结果表明,增加弹丸直径可以使板材塑性应变层及残余压应力层深度增大,弹坑尺寸及弹坑"凸边"附近的残余拉应力也随之增大;塑性应变层和压应力层深度随喷丸覆盖率的提高而增大,但覆盖率达到一定程度时增加不再明显。     

7050铝合金表面亚微米化及其显微硬度的研究

通过改进7050铝合金表面纳米化技术(调节喷丸压力、弹丸直径和喷丸时间)在材料表面获得亚微米晶层,利用OM、XRD、SEM等方法对亚微米结构表层进行了观察和分析。结果表明:喷丸使7050铝合金表面发生一定的塑性变形,表层亚微米晶尺寸约88 nm,显微硬度比基体提高2倍。     

大尺寸弹丸喷丸成形7B50铝合金材料的变形规律

大尺寸弹丸喷丸成形是一种针对大型整体壁板塑性成形的有效手段。采用正交试验方法对7B50铝合金平板试件开展大尺寸弹丸喷丸成形工艺试验,研究不同工艺参数下喷丸后试件沿弦向和展向曲率半径的变化规律。结果表明:试件在喷丸成形后呈球面凸起变形,且沿弦向的曲率半径小于沿展向的曲率半径;各因素按对曲率半径的影响程度排序依次为喷丸气压>试件厚度>移动速度;曲率半径随着厚度和移动速度的增加而增加,随着喷丸气压的增加而减小;建立了可以反映曲率半径与3个因素之间定量关系的回归方程,可为今后喷丸成形的变形预测提供参考。     

喷丸直径对GH4169合金性能和损伤演化的影响

采用半自动光学显微镜、激光共焦显微镜、MTS-Landmark电液伺服力学性能试验机等设备,研究了GH4169合金经不同直径弹丸喷丸处理后的微观组织和力学性能。利用数字图像相关方法(DIC),对材料单轴拉伸过程的表观损伤演化行为进行分析。结果表明,随着弹丸直径由ϕ0.6 mm增大到ϕ4.3 mm,GH4169合金的表面细晶层厚度由420 μm 增大到530 μm,其表面粗糙度最大较原始试样增大了80.8%。喷丸处理后,材料的屈服强度和抗拉强度均有所提高,其伸长率下降。随着塑性变形增加,喷丸前后GH4169合金的损伤演化规律相似,变形初期材料发生均匀变形且变形缓慢,损伤因子达到临界值后材料开始快速损伤。喷丸直径越大,临界塑性应变越小,材料越早发生快速损伤。建立了不同喷丸直径GH4169合金的损伤演化方程,对喷丸强化材料的寿命评估具有重要意义。     

锆合金微弧氧化后喷丸致密化研究

目的提高锆合金微弧氧化后表面氧化膜的致密度。方法先对锆合金进行微弧氧化处理,在表面形成氧化锆陶瓷层,再进行不同工艺下的喷丸处理,以提高锆合金表层氧化膜的致密度。通过表面粗糙度测试,表征不同喷丸工艺下试样表面的塑性变形程度,并通过扫描电子显微镜对氧化膜表面形貌和横截面厚度进行分析,最后计算表面膜层中的孔隙率,以表征微弧氧化后喷丸的致密化效果。结果较高的喷丸强度和较长的喷丸时间均会使得膜层表面发生剧烈的塑性变形,导致表面氧化膜脱落,对锆合金的表面完整性具有不利影响。当使用AGB35玻璃丸在0.2 MPa气压下喷丸10 s时,取得了较好的致密化效果。与微弧氧化后的原始试样相比,气压控制在0.2 MPa,时间控制在10 s的喷丸处理,可以减小膜层中孔洞的尺寸和数量,使氧化膜中的孔隙率从原始的16.45%降低至7.27%,有效提高了膜层的致密度。随着喷丸气压增加至0.3 MPa或喷丸时间延长至30 s,氧化膜发生大面积脱落,部分基体与氧化膜之间产生孔隙,氧化膜中的孔隙率反而增加至20.20%,这对锆合金的表面完整性具有不利影响。结论合理控制微弧氧化后的喷丸工艺参数,可以致密化锆合金表面的氧化膜,使其更具有保护性,而过高的喷丸强度和过长的喷丸时间均不能实现较好的致密化效果。     

Fatigue response of a grain refined TiAl alloy Ti-44Al-5Nb-1W-1B with varied surface quality and thermal exposure history

Fatigue specimens with four types of designed surface (EDM plane-sited, EDM notched, shot peened, electropolished) were assessed under three exposure conditions (no exposure, block exposure, individual exposure-oxidation at 700 °C for 10000 h) to quantify the effects of surface roughness, stress concentration, oxidation and inner microstructural embrittlement on fatigue behaviour of a grain refined TiAl alloy Ti-44Al-5Nb-1W-1B. With the yield strength of 568 MPa, fatigue is found to occur under a loading condition of σ_max<σ_0.1. Local plastic deformation is difficult to occur. The alloy becomes sensitive to surface damages but not to V-notch because the small surface area sampling the highest stress significantly reduces the EDM impact. Electropolishing rather than shot peening is found to be more effective in improving fatigue strength for the high strength alloy. When subjected to block exposure, both annealing effect (beneficial) and microstructural embrittlement (detrimental) occurred on all the surfaces, and the latter was dominant in governing fatigue behaviour except for EDM surfaces. After individual exposure-oxidation, fatigue performance deteriorated significantly for the shot peened and moderately for the electropolished but not for EDM surfaces. The mechanism for specific fatigue behaviour is discussed individually based upon whether or not the beneficial effects outweigh the detrimental effects.     

A numerical model of severe shot peening (SSP) to predict the generation of a nanostructured surface layer of material

Generation of a surface layer of material characterized by grains with dimensions up to 100 nm by means of severe plastic deformation is one of the most interesting methods to improve the mechanical behaviour of materials and structural elements. Among the ways to obtain a surface layer with this characteristic, shot peening is one of the most promising processes, since it is applicable to very general geometries and to all metals and metal alloys without high-tech equipments. Notwithstanding the fact that the ability of shot peening to obtain nanostructured surfaces by using particular process parameters (mainly high impact energy and long exposure time) is proved, deep knowledge of the correct choice of quantitative values of process parameters and their relation to the grain size and the thickness and uniformity of the nanostructured layer is still lacking.In this paper a finite element model of severe shot peening (SSP) is developed with the aim of predicting the treatment conditions that lead to surface nanocrystallization. After having assessed the accuracy of the model as regards mesh parameters and constitutive law of the material, the results are discussed and interpreted in terms of induced residual stresses and surface work hardening. A method to assess the formation of nanostructured layer of materials based on the value of the equivalent plastic strain is developed.The comparison with experimental results allow to affirm that the model is a useful tool to predict the generation of a nanostructured surface layer by shot peening and to relate the peening parameters with the treated surface layer in terms of residual stresses, work hardening, and depth of the nanostructured layer.     

钛合金薄壁叶片喷丸变形的研究

目的 研究喷丸工艺对钛合金薄壁叶片变形的影响,找到解决喷丸变形的方法 .方法 对钛合金薄壁叶片进行喷丸强化,采用三坐标测定喷丸前后叶片的尺寸变化情况.结果 在喷丸强度和覆盖率一致的前提下,采用不同的路径对叶片进行喷丸后,叶片的变形趋势和变形量没有很大差异.叶片进行喷丸后,采用相同的喷丸强度对叶片进行二次喷丸,叶片几乎不发生变形,需要采用更高的喷丸强度进行二次喷丸才可以使叶片发生变形.在喷丸之前对叶片进行真空去应力,虽然叶片表面的残余应力有相应减少,但与不进行真空去应力的叶片相比,喷丸变形情况没有发生太大的改变.结论 可采用喷丸前预变形和喷丸校正的方法 解决喷丸变形的问题,使得叶片喷丸后的尺寸达到图纸的要求.     

金属零件表面改性的喷丸强化技术

传统的机械喷丸工艺在工业界已经得到广泛的应用。随着激光技术的发展,出现了一种新的加工工艺——激光喷丸。它们都能改善金属零件表面的机械性能,尤其是在表面产生压缩应力,使零件的抗应力腐蚀等能力大为提高,从而延长零件的疲劳寿命。由于激光喷丸具有形成的残余压应力比机械喷丸深等优势,因而强化效果更佳。