7075铝合金不同表面强化工艺的对比试验研究

对7075高强铝合金试样进行传统的机械喷丸强化与新的激光冲击强化工艺试验,对比它们产生的表面粗糙度、表层显微硬度与残余应力场的分布特性与演变规律,分析喷丸强化工艺对试样在低应力幅下的疲劳寿命改善作用。结果表明,表层残余压应力场分布合理性及其应力松弛趋势是提高试样疲劳寿命的主要因素,机械喷丸同时引起可观的应力集中,需要制定合理的组合式喷丸工艺,以缩小与激光冲击强化间的差距。激光冲击强化可显著改善疲劳性能的最主要因素是具有高的表面残余压应力值,以及持续保持应力影响深度的能力。而机械喷丸主要是高的残余压应力峰值及其向材料内层转移的能力。     

表面喷丸强化改善7075铝合金疲劳寿命的试验研究

对7075铝合金试样引入表面喷丸强化工艺,分析表层残余应力与表面粗糙度的演变规律,讨论喷丸强化工艺对试样疲劳寿命的改善效果。结果表明,喷丸强化引入的表层残余压应力场是提高试样疲劳抗性的主要因素,但表面缺口效应造成的应力集中极易引发残余应力松弛,从而降低对疲劳寿命的提升作用。另外,单次喷丸强化改善试件疲劳寿命存在工艺参数拐点,故工程应用中必须谨慎、合理选择操作参数,而组合喷丸强化工艺可在一定程度上修正过度喷丸造成的不利影响。     

7A09超高强铝合金表面强化实验研究

利用气动式喷丸机对7A09超高强铝合金试样进行喷丸强化,对喷丸强化前后试样小孔两侧残余应力分布进行测试,探讨了喷丸时间对7A09铝合金疲劳寿命的影响,分析机械喷丸强化前后铝合金试样疲劳断口。结果表明,机械喷丸强化后,7A09超高强铝合金表层分布高幅值残余压应力,表层残余压应力分布显著地降低了疲劳裂纹扩展速率,疲劳寿命明显提高;通过扫描疲劳断口,发现未处理试样的疲劳裂纹源位于孔壁上表面的尖角处,而机械喷丸强化试样的裂纹源逐渐转移到强化层以内,在最终断裂区内分布大量韧窝,且韧窝形态随喷丸时间的延长而增大,并且韧窝尺寸更深,说明机械喷丸改善了最终断裂区的塑性。     

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.     

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。     

2B25-T351压印强化残余应力场的有限元模拟与实验

运用有限元软件ABAQUS建立压印强化残余应力场的三维有限元模型,模拟计算压印强化过程中2B25-T351铝合金构件的三维残余应力场分布,模拟结果表明,压印痕底部残余应力沿厚度方向呈梯度分布,与表面距离越远,压应力水平越小。孔周围的残余应力分布比较集中,压印痕端头附近,孔边为相对均匀的残余压应力,其他位置为自平衡的残余拉应力;使用X射线衍射应力分析技术测量实际试样的残余应力,结果表明,实验测量值与有限元模拟值吻合较好;对压印强化前后试样进行疲劳性能试验,结果表明,压印强化在试件表面引入残余压应力,可降低裂纹萌生的几率及裂纹扩展的速率,压印强化后材料的疲劳寿命提高了近1.5倍。     

喷丸残余应力对裂纹闭合效应影响的数值仿真

基于裂纹闭合效应,利用ABAQUS软件建立用于预测残余应力场中疲劳裂纹扩展特性的弹塑性有限元模型。考虑塑性和残余应力场对裂纹闭合的作用,分析残余应力、应力比和裂尖单元尺寸对裂纹闭合效应的影响。研究结果表明:未喷丸试样的裂纹闭合类型为塑性诱导裂纹闭合,喷丸残余应力场中的裂纹闭合为塑性和残余压应力共同作用,且裂纹张开力的大小与残余应力的分布相对应;正应力比越大,裂纹闭合效应越不明显,疲劳裂纹扩展速率越快;裂尖单元尺寸小于塑性区范围时可以真实反映裂尖的闭合状态;喷丸残余压应力通过提高裂纹闭合力,增强裂纹闭合效应,抑制疲劳裂纹扩展。     

激光冲击强化对TC17表面形貌及残余应力场影响的有限元数值模拟研究

激光冲击强化是一种新型表面改性技术,能够在金属部件表面引入残余压应力提高其疲劳、耐磨和腐蚀性能。研究了不同能量脉冲激光(3,5和7 J)冲击强化对TC17钛合金材料表面形貌和最大塑性变形的影响并通过有限元数值模拟激光冲击强化过程。运用白光干涉仪表征试样表面三维形貌和表面塑性应变,采用有限元数值模拟验证表面塑性应变并研究表面和深度方向残余应力场分布规律。结果表明:实验法和有限元法测定试样表面塑性应变深度具有较高的一致性,3、5和7 J冲击下的最大残余应力分别为136.7、407.6和637.3 MPa,塑性影响层深度从约400μm增加到约1050μm。因此,增加激光冲击能量有益于提高残余应力场的大小和深度。     

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.     

[例45] 喷丸强化技术在关键零部件中的应用

正表面喷丸强化是提高机械零部件疲劳寿命和应力腐蚀抗力的关键制造工艺,具有强化效果明显、操作简便及成本低廉等优点。喷丸过程中高速弹丸流反复击打材料表面,导致其表层发生明显塑性形变,进而引入残余压应力场、产生细化组织结构及诱发残余奥氏体向马氏体转变。实用的喷丸工艺包括:强化喷丸、精整喷丸、抛光喷丸、预应力喷丸、温度喷丸及复合喷丸。利用有限元计算方法,可数值模拟零部件喷丸残余压应力及其分布,预测出合适的喷丸工艺参数。通过喷丸工艺、喷丸设备和弹丸之间的黄     

激光冲击强化对7050铝合金小孔结构残余应力和疲劳性能的影响

研究了激光冲击强化对7050 T7451铝合金小孔结构显微硬度、残余应力和疲劳性能的影响。结果表明:当激光能量为30 J、光斑直径ø4 mm,冲击2次时,7050 T7451铝合金显微硬度显著提高,表层硬度相对于母材提高约12%且硬化层深度可达1 mm;残余压应力幅值超过300 MPa,影响深度可达约1 mm,明显大于喷丸强化残余应力影响层深度。激光冲击诱导的残余压应力可提高疲劳裂纹的萌生抗力,其较深的残余压应力层则有利于延长裂纹的扩展寿命。激光冲击强化后小孔结构疲劳寿命相对于母材提高了4.7~17.6倍,且其疲劳寿命增益及稳定性明显优于喷丸强化。     

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。     

高温喷丸强化Ti6Al4V合金的热力耦合数值模拟

发展一种连接喷丸强化与高温加载传热的热力耦合有限元方法,模拟高温喷丸强化Ti6Al4V合金的过程。首先建立一圆盘模型模拟待喷材料的高温加载传热过程。然后将圆盘模型的受热部分取出一小块建立对称胞元喷丸模型,并且将高温加载所致的温度场和热应力场通过解析场的方式导入到对称胞元喷丸模型,模拟高温喷丸强化过程。最后通过回弹计算获得稳定的残余应力场和温度场。创建4种模拟工况：常温喷丸、单独导入温度场的喷丸、单独导入热应力场的喷丸和高温喷丸,探究高温喷丸的残余压应力强化机理。结果表明：在常温环境下,对称胞元喷丸模型模拟的Ti6Al4V表层残余应力与试验结果具有很好的一致性。在高温加载作用下,随着热流密度的增加,受喷材料表层残余压应力有所减小,材料亚表层的残余压应力逐渐增大。影响高温喷丸强化的残余压应力的主要因素是高温加载所致的温度场,热应力场对残余压应力强化起次要作用。     

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.     

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。     

喷丸强化AZ91 D镁合金残余应力场的数值模拟及实验研究

目的研究喷丸工艺对AZ91D镁合金表面残余应力场的影响。方法基于有限元平台建立喷丸强化AZ91D镁合金的有限元模型,从残余压应力层的厚度、残余压应力的峰值及其深度等方面探讨弹丸速度、弹丸直径和弹丸入射角对AZ91D镁合金表面残余应力场的影响,并通过喷丸强化AZ91D镁合金的实验与有限元模拟结果进行对比。结果增大弹丸速度对残余压应力层的厚度、残余压应力的峰值提高效果明显,但对残余压应力峰值的深度影响不大;增加弹丸直径,残余压应力层的厚度、残余压应力的峰值及其深度均有明显提高;增大入射角,残余压应力层的厚度、残余压应力的峰值有明显提高,但是残余压应力峰值的深度基本不变。有限元模拟结果中,残余压应力层的厚度比实验值小7%,残余压应力的峰值比实验值大5%,残余压应力峰值的深度比实验值小11%。结论残余应力的实验结果与有限元模拟结果具有较好的一致性,模型合理。     

喷丸强化对车辆传动齿轮裂纹扩展影响的研究综述

疲劳断裂是重载车辆传动齿轮的主要失效形式之一,齿轮底部疲劳裂纹的扩展将缩短车辆传动系统的服役寿命,严重时会导致车辆发生安全事故。延缓裂纹扩展的主要方法是在传动齿轮的表面引入一定大小的残余压应力。喷丸技术是一种冷加工表面强化处理工艺,该技术利用高速弹丸冲击材料表面,使零件表层产生塑性应变的同时,在表面和内部引入残余压应力,从而使裂纹闭合的能力得到强化,达到延缓裂纹扩展的强化效果。为了更好地揭示喷丸引入的残余压应力对疲劳裂纹扩展的影响,首先综述了传动齿轮表面疲劳裂纹产生的原因以及疲劳裂纹的扩展行为对重载车辆服役的影响。从强度因子、J积分以及裂纹闭合效应出发,介绍了传动齿轮表面疲劳裂纹扩展的理论以及残余压应力与疲劳裂纹扩展速率之间的关系。其次概述了目前国内外常用的新型有益于将残余拉应力转化为残余压应力的微粒子喷丸、激光喷丸、超声喷丸方法,并与传统机械喷丸技术相比较,阐述了新型喷丸表面强化技术的优缺点。此外,从数值模拟和试验结果两方面,论述了喷丸速度、喷丸角度、弹丸直径、弹丸材质和覆盖率5个工艺参数对在传动齿轮表面引入残余压应力的改善影响。最后对喷丸强化技术在传动齿轮上的多目标参数优化以及多尺度残余压应力与疲劳性能进行了展望,并结合重载车辆的使用需求,强调需要创新设计一种效率高、价格低、适用性广的喷丸技术,以进一步推动喷丸强化在延缓疲劳裂纹扩展方面的持续发展。     

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。     

前混合水射流喷丸残余应力的数值模拟

金属材料的疲劳破坏已经成为制约金属零件使用寿命的主要因素,用水射流喷丸来改变金属材料表面的残余应力以提高金属零部件的疲劳寿命已成为最有效的方法。本文根据有限元理论,运用动力显式算法建立有限元模型,将喷丸过程简化为弹丸撞击靶体的模型,利用ANSYS／LS—DY—NA软件进行了数值模拟。结果表明：研究靶体的残余应力分布情况能得出最大残余压应力的值及位置,能得出残余应力场的分布和残余应力场深度;研究靶体的应变能够得出靶体表面的变形和表面Y应变的分布。