喷丸件表面粗糙度及其对疲劳极限的影响

本文对40Cr钢淬火后200℃和550℃回火的两种试样,进行了多种规范的喷丸,然后测定了它们的表面粗糙度和疲劳极限。提出了表面粗糙度引起的应力集中系数的半解析表达式以及疲劳源在表面时疲劳极限的预测方法。     

喷丸介质对7050-T7451铝合金表面完整性的影响

目的 研究相同喷丸强度下,不同喷丸介质对7050-T7451铝合金表面形貌及表面粗糙度的影响。方法 在喷丸强度为0.2 mmA和0.3 mmA条件下,使用铸钢丸ASH230和陶瓷丸AZB425对7050-T7451铝合金进行表面喷丸处理,使用扫描电子显微镜、粗糙度仪、X射线残余应力测试仪等研究了喷丸介质对表面形貌、表面粗糙度、残余应力场的影响。结果 当喷丸强度为0.2 mmA和0.3 mmA时,铸钢丸试样的弹痕直径分别为198.3 μm和230.8 μm,大于陶瓷丸试样的弹痕直径。铸钢丸试样的表面粗糙度分别为4.84 μm和6.24 μm,比陶瓷丸试样的分别高29.5%及23.6%。在相同喷丸强度下,陶瓷丸试样的表面微观应变高于铸钢丸试样的。在残余应力方面,铸钢丸试样在0.2 mmA和0.3 mmA强度下的表面残余压应力分别为−175.5 MPa和−221.5 MPa,显著小于陶瓷丸试样的−280.4 MPa和−335.6 MPa。但铸钢丸试样的残余压应力层深度分别为255.8 μm和278.9 μm,大于陶瓷丸试样的。结论 在相同喷丸强度下,相比于铸钢丸试样,陶瓷丸试样表面弹痕直径更小,粗糙度更低,但表面和最大残余压应力较大。使用陶瓷丸进行喷丸处理会得到更好的表面质量。     

喷丸强度对不同粗糙度表面超高强度钢疲劳性能的影响

不同方式加工的高强度钢零件具有不同的表面状态,对其采用相同的喷丸工艺是否合理尚不明确。对不同表面粗糙度23Co14Ni12Cr3Mo E超高强度钢作不同强度的喷丸强化。采用扫描电镜及白光干涉仪观察了喷丸试样的表面形貌,采用金相显微镜观察喷丸试样的表面组织,采用旋弯疲劳试验机测试了喷丸试样的疲劳性能,采用X射线衍射残余应力测试仪测试喷丸试样的残余应力。研究了喷丸强度对不同表面粗糙度超高强度钢的表面组织、形貌、残余应力场及疲劳性能的影响。结果表明:喷丸过程可以细化表面组织,引入残余压应力场,改变表面形貌特征,从而引起表面应力集中状况的改变,其改善效果与原始表面状态有关;对于初始表面粗糙度Ra≤0.4μm的表面,喷丸强化过程能有效提高材料的疲劳寿命,促使疲劳裂纹源内移;随表面粗糙度的提高,当应力集中状况过于严重时,表面组织细化和残余压应力对疲劳性能的提升作用会被抑制,喷丸工艺对疲劳寿命的提升效果大幅下降,疲劳裂纹源均位于表面。     

喷丸残余应力场有限元数值模拟分析

为探讨喷丸参数对残余应力大小及分布的影响,利用LS-DYNA软件建立了分批顺序撞击的9丸粒有限元模型,对喷丸残余应力场进行了数值仿真研究,并与已有结果进行对比以验证其准确性。在此基础上研究了弹丸速度、重复打击次数、搭接率以及多丸粒分布对残余压应力的影响。结果表明:增加弹丸搭接率和覆盖率可使各点的残余应力分布趋于一致;重复打击一定次数后将使残余应力增长率减缓并最终趋于饱和;最大残余压应力及其到达深度均随喷丸速度增加而增大。本模型为获得理想残余应力提供了理论依据。     

关于残余应力的静载松弛与最佳喷丸残余应力场的研究

本文研究了喷丸残余应力场在疲劳加载初期的静载松弛现象及机理,并对最佳喷丸残余应力场进行了探讨。试验结界表明,残余应力在疲劳过程中的静载松弛是工件表层材料剧烈塑性变形的结果。残余应力的静载松弛会使晶界、相界等障碍物处形成一定数量的微裂纹,给工作表层材料带来损伤,降低疲劳裂纹的形核寿命。为了避免疲劳初期由于残余应力的静载松弛所造成的损伤,在喷丸后采用应力松弛低温回火工艺,预先降低残余应力场中的最大残余压应力值,建立最佳残余应力场。这种通过热激活的方式使残余应力发生的松弛属子非损伤性松弛,因而能够有效地提高材料在S—N曲线上的较高交变应力区的疲劳寿命。     

GH909合金喷丸强化残余应力场的研究

研究了GH909合金不同喷丸强化工艺下的残余应力场和残余应力在550℃的松驰情况,总结了喷丸强化所获得的残余应力场特性。结果表明,GH909合金经适当喷丸强化后获得的有益残余压应力场可改善其疲劳性能。     

表面粗糙度对钛合金超声波喷丸强化影响的有限元分析

探究超声波喷丸强化工艺对不同初始粗糙度的材料表面塑性应变、喷丸覆盖率以及残余应力及表面位移场影响的变化规律。以TC4(Ti6Al4V)钛合金材料为研究对象,基于有限元仿真软件ABAQUS构建超声波喷丸工艺的三维有限元模型,研究粗糙度对材料表面超声波喷丸强化效果的影响。结果表明:降低表面初始粗糙度,可以提高达到工艺要求覆盖率的速度和表面发生塑性变形的程度,增加亚表面残余压应力层的深度及对应层深的残余压应力值。     

喷丸起落架外筒焊接热影响区的残余应力测定

本文用X射线法测定了喷丸起落架外筒焊缝影响区的残余应力,并从残余应力角度考察了起落架外筒现行工艺路线的优劣。测定结果表明,在相同构件上虽然所测方向和部位不同,但残余应力的分布、大小及符号基本相同。与前起外筒相比,喷丸处理在主起外筒上形成的残余压应力值较低。分析认为消除焊接残余拉应力的合理工序,是两种外筒均应采用焊后热处理,但应防止表面脱碳。     

弹丸直径和速度对喷丸残余应力分布的影响分析

采用有限元软件分析喷丸强化后的残余应力分布,研究不同直径弹丸的喷射速度对喷丸强化引入的残余压应力场的影响。具体分析在0.2mm～0.4mm弹丸直径范围内不同弹丸速度对残余压应力场的影响,将每个弹丸直径下的最优残余压应力值提取出来与弹丸速度进行Gauss曲线拟合,并建立喷丸强化的"弹丸速度-残余应力值"函数关系式。     

喷丸材料及粒径对300M钢原始表面粗糙度的影响

过去的研究忽视了零件表面原始粗糙度对喷丸后形成的粗糙度的重大影响,而表面粗糙度又是考核喷丸质量的重要指标。采用车削、精车削和磨削3种加工方式在300M钢表面形成3种粗糙度,采用不同喷丸工艺,测定了300M钢喷丸前后的表面粗糙度,观察了材料表面形貌,研究了喷丸对300M钢表面粗糙度的影响。结果显示,铸钢弹丸对材料表面形貌...     

单丸粒撞击金属靶材的有限元分析

本文应用商用有限元软件ABAQUS对单个丸粒撞击金属靶材进行了三维有限元分析,建立模拟弹丸撞击靶材的有限元模型。首先将单个丸粒撞击靶材产生残余应力的模拟结果与Meguid等人用ANSYS软件所模拟的结果进行对比,从而来验证本文模拟结果的可靠性。然后本文系统地研究了不同弹丸参数对于残余应力场分布规律的影响。模拟结果表明,弹丸参数对于喷丸残余应力场分布规律的影响各不相同。但是,无论这些参数如何变化,靶材次表层的最大残余压应力值所处的位置基本保持不变,始终位于靶材表面以下25%dshot处。根据有限元模拟的结果,可对喷丸强化工艺参数进行优化控制,提高喷丸强化的加工工艺水平,以实现更好的喷丸效果。     

Technical note A study on stress, reflection and double shot peening to inrease compressive residual stress

The technique of shot peening is commonly used to increase the fatigue limit of a steel. However, there are many practical difficulties in applying it to very high HV steel and complicated components. To overcome these problems, the authors proposed two new methods: stress double shot peening and stress reflection double shot peening. Both techniques were applied to quench and tempered steel (QT steel) and induction-heated steel (IH steel). The main results were as follows: (a) by double shot peening, the compressive residual stress near the sample surface was increased considerably; (b) by stress shot peening, the maximum compressive residual stress ( σ _max ) and the surface compressive residual stress ( σ _s ) were greatly increased; (c) by stress double shot peening, very high compressive residual stresses ( σ _max = −1710 MPa and σ _s = −1320 MPa) were successfully introduced into a hard steel (HV = 700); (d) in the new method (stress reflection double shot peening), very high compressive residual stresses ( σ _max = −1760 MPa and σ _s = −1460 MPa) were successfully introduced into a hard steel (HV = 700).     

42CrMo曲轴钢喷丸强化有限元模拟

喷丸强化能够有效提高42CrMo曲轴钢的抗疲劳性能,且喷丸数值模拟是制定喷丸工艺方案、评估喷丸后工件表面疲劳抗力的主要理论工具。为了体现喷丸过程中的随机性,利用MATLAB软件提供的Rand随机函数产生弹丸的位置,建立随机喷丸模型,并在此模型基础上研究弹丸直径、弹丸材料、冲击速度以及覆盖率与残余应力间的分布规律,进一步讨论喷丸工艺对42CrMo曲轴钢表面粗糙度的影响。研究发现:随着弹丸直径以及速度的增大,残余应力增大,抗疲劳性能提高,但粗糙度也相应增大;随着覆盖率的增大,残余应力增大,表面残余应力分布更加均匀,稳定性提高;同时弹丸强度越高,残余应力越大。通过喷丸试验对随机多弹丸模型进行验证,为喷丸工艺的精确控制提供了科学依据和理论基础。     

Mechanism modelling of shot peening effect on fatigue life prediction

A new mechanism modelling is proposed in this paper to explain the shot peening effect on fatigue life predictions of mechanical components. The proposed methodology is based on the crack growth analysis of shot peened specimens, which are affected by the interaction of surface roughness and residual stress produced during the shot peening process. An asymptotic stress intensity factor solution is used to include the surface roughness effect and a time‐varying residual stress function is used to change the crack tip stress ratio during the crack propagation. Parametric studies are performed to investigate the effects of surface roughness and the residual stress relaxation rate. Following this, a simplified effective residual stress model is proposed based on the developed mechanism modelling. A wide range of experimental data is used to validate the proposed mechanism modelling. Very good agreement is observed between experimental data and model predictions.     

湿法喷丸工艺有限元分析

目的 分析TC4钛合金的湿喷丸强化过程。方法 利用ABAQUS有限元软件中的CEL方法以及随机分布函数建立弹丸随机分布的湿喷丸冲击强化模型,研究喷丸覆盖率对残余应力场和表面粗糙度的影响规律,进行TC4钛合金板材的湿喷丸强化实验,对比验证模拟结果。结果 表面粗糙度随着喷丸覆盖率的增加而变大;对于残余应力场,随着覆盖率从50%增加到100%,最大残余压应力值和其所处位置的深度均增加。当覆盖率增加至200%,最大残余压应力值不再增加。不同喷丸覆盖率下表面残余应力值基本相同。经对比验证,构建的有限元模型的仿真结果与湿喷丸实验规律相一致。结论 湿喷丸模型能够较好地模拟湿喷丸强化后板材表层残余压应力场和表面粗糙度的变化规律。     

Effect of shot peening on fatigue limit of surface flawed samples

The effects of shot peening on the fatigue limit of specimens having a semicircular notch of varied surface length, 2a , are investigated. In the case of un-peened specimens, the fatigue limit of specimens having a notch of a = 0.05 mm was equal to that of the un-notched specimens. However, the fatigue limit of a = 0.3 mm was 46% smaller than that of the un-notched specimens. On the contrary, in the case of peened specimens, the fatigue limit of a = 0.2 mm was equal to that of the un-notched specimens and furthermore, that of a = 0.3 mm was only 5% smaller than that of the un-notched specimens. Multiple non-propagating cracks were observed in peened specimens after fatigue testing. The stress intensity factor of the maximum non-propagating crack size corresponded to that of a = 0.2 mm notch. These results indicate that shot peening increases fatigue limit and decreases the likelihood that a surface flaw will result in failure.