磨料水射流喷丸对渗碳GDL-1钢表面性能及残余应力场热松弛行为研究

采用后混合磨料水射流喷丸对经渗碳风冷后的GDL-1钢进行表面强化与改性,通过激光共聚焦显微镜,扫描电镜,透射电镜,显微硬度仪,X射线应力衍射仪分析不同压力水喷后试样表面粗糙度、组织、硬度和残余应力等的变化规律,并研究300 MPa水喷处理后不同保温温度和保温时间残余应力场的热松弛行为。结果表明：随着水压的增加,表面粗糙度增大、残留奥氏体转变量增多、硬度提高幅度变大,水喷后,晶粒和组织得到明显细化,并且在表层形成一定深度的残余压应力场。残余应力的热松弛主要受保温时间和温度的影响,在100℃和300℃时,残余应力的热松弛受回复过程控制,500℃时,残余应力热松弛受回复和再结晶过程控制。表面残余应力在回复过程中存在两个阶段,初始阶段应力松弛速度快,以点缺陷回复为主,后一阶段松弛速率慢,以位错回复为主,并进一步研究指出Zener-Wert-Avrami方程并不适合描述整个回复过程。     

高压水射流喷丸降低焊接残余应力有限元分析

焊接不可避免产生残余应力,对结构完整性造成很大影响。提出利用高压水射流喷丸技术降低焊接残余应力,并利用有限元法进行计算模拟。分别开发了模拟焊接的移动双椭球热源子程序及模拟高压水射流喷丸的移动压力载荷子程序,得到了经高压水射流喷丸处理前后焊接残余应力分布的变化规律。计算结果表明,经高压水射流喷丸处理后,焊缝和热影响区存在的焊态残余应力得到降低,在焊缝区已经产生压缩应力。证明高压水射流喷丸具有降低焊接残余应力的效果。     

喷丸对TC4钛合金残余压应力场及疲劳寿命的影响

研究了不同弹丸及喷丸参数对喷丸后TC4钛合金表面形貌、表面塑性变形程度、残余压应力场和疲劳寿命的影响。结果表明:与铸钢弹丸相比,陶瓷弹丸喷丸强化后TC4钛合金表面的起伏程度变化不大,但能有效地覆盖加工刀痕;随喷丸压力增大和喷丸时间延长,试样表面的累积塑性变形先快速增大后趋于饱和;当喷丸压力达到0.25 MPa、铸钢弹丸喷丸时间大于40 s或陶瓷弹丸喷丸时间大于80 s时,最大残余压应力可达到610 MPa,残余压应力场深度超过250μm;两种弹丸喷丸强化后,TC4钛合金的疲劳寿命分别可提高10倍和20倍以上。     

前混合水射流喷丸强化表面力学特性及疲劳寿命试验

为获得前混合水射流喷丸强化增益效果,研究前混合水射流喷丸对2A 11铝合金和45钢的表面显微硬度、表面残余压应力和疲劳寿命的影响.采用显微硬度计和X射线应力分析仪分别测定喷丸表面显微硬度和表面残余应力,利用扫描电镜观察疲劳断口形貌,获得喷丸表面显微硬度和表面残余压应力随喷丸压力、扫描速度及靶距的变化规律,指出射流喷丸可以大幅度地提高2A11铝合金和45钢的疲劳寿命,当2A11铝合金和45钢的应力振幅分别为155.7 MPa和282MPa时,喷丸试样疲劳寿命比未喷丸试样疲劳寿命分别提高25.31倍和18.56倍,且未喷丸试样疲劳裂纹萌生于试样表面,喷丸试样疲劳裂纹有的萌生于试样表面,有的萌生于试样内部,当疲劳源在试样内部时,裂纹在夹杂物处萌生.因此,前混合水射流喷丸是一种提高金属零构件疲劳寿命的有效方法.     

喷丸试件表面粗糙度与残余应力相关性分析

为通过喷丸处理提高材料抗疲劳性能,开展了喷丸试件表面粗糙度与残余应力测量试验,并建立数值模型进行仿真分析,确定了粗糙度与残余应力的相关性.对照试验结果完成模型验证发现,粗糙度与残余应力线性相关.通过增加弹丸直径、喷丸速度及试件覆盖率,能够在提高残余应力的同时减小粗糙度,取得了较好的喷丸加工效果.     

基于Deform3D对磨削表面残余应力的仿真研究

针对钛合金材料磨削加工难的特点,利用有限元软件Deform 3D通过建立能够反映材料在磨削过程中表现出的大应变、高温及高应变率的Johnson-Cook材料本构模型来模拟钛合金TC4的磨削加工过程,并对磨削后工件所受的残余应力进行了分析。验证了有限元模型的有效性和正确性,为完善钛合金残余应力的研究以及工艺参数的优化选择指明了方向。     

2024铝合金喷丸残余应力松弛规律研究

喷丸残余压应力能有效提高材料的抗疲劳性能,但服役过程中残余压应力不稳定,会出现松弛。为深入研究喷丸残余压应力的松弛规律,对喷丸2024铝合金标准拉伸试样在两种拉伸载荷强度下进行疲劳试验研究,采用基于cosα法的μ-X360n型X射线衍射仪分析了残余应力在疲劳过程中的变化规律。结果表明：在载荷10 kN时,残余压应力出现了常规松弛,即在首次循环加载后残余压应力大幅度下降,在剩余的疲劳加载过程中,残余压应力基本保持不变或缓慢下降,且引入的残余应力分布始终同初始分布保持一致;在载荷15 kN时,残余压应力出现了反向松弛,即在首次循环加载后残余压应力变为残余拉应力,残余应力分布由初始的“√”型分布变为了近似于一条直线分布,由内向外逐渐减小。为描述喷丸残余压应力的松弛行为及过程,在已有试验模型基础上,提出了考虑喷丸表面状态的残余应力松弛模型。     

TC4板孔冷挤压强化残余应力分布与疲劳寿命

开展了不同挤压量下TC4钛合金板孔冷挤压强化有限元仿真研究,得到了挤压强化后最小截面的切向残余应力分布规律,分析了挤压量对受载试样孔边应力分布的影响,探讨了挤压量、残余应力和疲劳增益三者之间的内在关系。采用开缝衬套冷挤压强化工艺对TC4带孔板件进行冷挤压和疲劳验证试验。研究结果表明,挤压强化后的孔边切向压缩残余应力可以有效降低孔周应力集中程度,优化受拉试样最小截面应力分布,改变裂纹源的位置并延长疲劳裂纹的萌生和扩展寿命,有效提高试样疲劳寿命。综合仿真和疲劳试验得到TC4板孔最优挤压量为4%。     

不同喷丸工艺对螺母表面残余应力分布的影响

喷丸强化会使零件表面产生残余压应力,可以提高零件抗疲劳能力。试验采用正交试验法对螺母表面进行喷丸强化,沿着螺母轴向方向取三个截面进行残余应力测试分析。试验表明喷丸强化后螺母表面的残余应力均为压应力,有利于提高螺母的抗应力腐蚀和抗疲劳能力;螺母直段截面和大圆弧截面的残余压应力分布在（400～500）MPa,大于小圆弧截面的残余压应力;通过SPSS软件对螺母不同截面以及整体残余应力分布进行显著性分析,表面喷丸流量对螺母整体残余应力分布影响较为显著,并且得出了较为优异的喷丸强化工艺参数。     

TC4钛合金条形零件铣削加工表面残余应力测试与分析

航空钛合金零件在铣削加工时表面会产生残余应力层,不仅影响零件的尺寸精度,还严重影响零件的疲劳性能。因此,研究航空钛合金零件铣削加工表面的残余应力分布与变化十分必要。以TC4钛合金条形零件为研究对象,采用化铣剥层法,测试并分析不同铣削用量条件下已加工表面残余应力的分布与变化规律。研究结果表明,TC4钛合金条形零件已加工表面层的残余应力沿层深方向逐渐由压应力变为拉应力;随着切削速度和每齿进给量的提高,残余应力值均相应降低;而随着径向切深的增大,残余压应力值则相应增加。     

预应力切削加工TC4钛合金表面残余应力的有限元模拟

采用预应力切削方法对TC4钛合金进行加工,建立了预应力切削TC4钛合金的有限元模型,模拟了不同预应力下锯齿状切屑的形成过程及加工表面的残余应力分布情况,然后将模拟结果与试验结果进行了对比。结果表明:预应力切削可以调整已加工表面的残余应力分布状态和应力值,在弹性变形范围内,预应力越大,加工后表面的残余压应力越大,残余压应力的分布也越深;预应力对锯齿状切屑的形成无明显影响;模拟结果和试验结果具有较好的一致性。     

42CrMo4钢切削表面残余应力研究

42CrMo4钢是一种应用广泛的高强度合金钢,用于制造盾构机保险轴等。但盾构机保险轴常常出现因残余应力引起提前疲劳失效的问题,影响其使用,因此对其材料42CrMo4钢进行了分析研究。利用工艺系统模拟软件DEFORM-3D中的切削仿真模块建立42CrMo4钢的切削模型并进行仿真分析,通过在仿真过程中改变各切削参数后对其表面残余应力的影响进行研究,得出切削三要素中对42CrMo4钢表面残余应力影响最大的是切削速度,其次为进给量,影响最小的为切削深度,为42CrMo4钢保险轴加工条件的选择提供理论依据。     

基于电子束焊接的TC4钛合金叶片焊缝表面强化研究

航空发动机叶片的整体性能极大地影响着飞机的安全稳定运行。针对某型航空发动机TC4钛合金叶片采用电子束焊接后,服役期内在焊缝处常出现疲劳裂纹而导致叶片失效的现象,采用X射线衍射法,结合有限元仿真分析结果,研究分析钛合金叶片焊缝及周围区域的残余应力分布状况,探索分析强化前、后残余应力变化情况。根据实验结果,焊接后焊缝及周围区域表面呈现拉应力,且垂直焊缝方向应力值在+36 MPa左右;强化后,叶片表面呈现出较大且较为均匀的压应力,应力值为-200 MPa左右。同时,有限元仿真结果表明经过表面强化后,叶片表面由拉应力转变为压应力,应力状态得到明显改善,进而提高了叶片疲劳性能,为航空发动机叶片表面抗疲劳制造提供了理论依据和技术参考。     

超声喷丸强化产生残余应力的有限元分析

将超声喷丸过程简化为单个丸粒撞击试件的模型,应用ANASYS/LS-DYNA软件对过程进行有限元仿真.分析了残余应力产生过程,并改变丸粒的直径和材料,对比不同丸粒直径及材料下的残余应力分布,得出的结论是:丸粒直径增大可以使残余应力层深度和最大残余压应力值增加,丸粒密度增大也可以实现最大残余压应力值增加.     

表面处理工艺对钛合金材料表面残余应力的影响

本文主要考察表面处理（喷丸、激光强化、光饰、化铣）工艺对钛合金材料试样表面残余应力变化的影响。结果表明,喷丸、激光强化、光饰工艺大大提高了钛合金材料的表面残余压应力;化铣技术削弱了表面残余压应力,但与试样化镜深度无关。     

激光冲击TC4钛合金残余应力热松弛数值模拟研究

为了研究高温对激光冲击TC4钛合金残余应力的影响,采用PROCUDO200激光喷丸系统对TC4试样进行强化处理,采用XL-640型应力仪测量了保温550℃前后激光冲击TC4钛合金表层残余应力。采用ABAQUS软件,基于Johnson-Cook本构方程和双曲正弦Arrhenius-type方程,创建了可预测保温前后激光冲击TC4残余应力场的有限元模型。研究表明：在550℃下,随着保温时间的延长,表面残余压应力不断减小;当保温时间超过30 min后,表面残余压应力的减小幅度降低;保温60 min后,激光冲击TC4表面残余应力的测量值和模拟值基本一致,说明该有限元模型能准确预测残余应力热松弛规律,残余应力的热松弛可能与保温期间塑性变形层的热回复过程和动态再结晶有关。     

精密切削钛合金TC4表面残余应力的模拟研究

本文建立钛合金正交切削热一力耦合有限元仿真模型,采用自适应网格(ALE)技术及Johnson-Cook强化模型和剪切失效模型定义切削.通过对TC4切削过程的有限元模拟,分析了刀具刃口半径及材料的变形对已加工表面残余应力分布和表面质量的影响,并提出在切削钛合金时需采用较小的切削深度、较高的刀具锋锐度、较高的切削速度进行切削,以得到较好的表面加工质量.     

Cu-Ni-Sn合金精加工表面残余应力有限元仿真研究

为研究Cu-Ni-Sn合金精加工后表面残余应力层深分布及大小,根据室温和高温下Cu-Ni-Sn合金流动应力—应变曲线数据,构建了试验条件下Cu-Ni-Sn合金的J-C本构模型,采用有限元分析法研究了切削参数和刀具几何角度对Cu-Ni-Sn合金加工表面残余应力的影响规律,并采用正交试验法和极差分析法对表面残余应力进行了优化分析。分析结果表明：Cu-Ni-Sn合金精车加工后,表层残余应力呈现“勺型”分布,表层残余拉应力沿深度方向转变为压应力;表层最大残余拉应力和最大残余压应力与切削速度和切削深度呈正相关,最大残余拉应力随刀具前角增大而减小;表层残余拉应力与最大残余压应力随刀具后角的增大而减小;采用正交试验法和极差分析法得到对表层最大残余拉应力的影响显著性排序为切削速度>刀具前角>刀具后角>切削深度。     

2024-T351铝合金喷丸残余应力松弛模型研究

喷丸引入的残余压应力场可以有效地提高构件的疲劳性能,但残余压应力会随着循环周期而发生松弛,进而降低残余压应力对疲劳性能的增益效果,因此深入研究残余应力松弛规律,有助于更加准确的掌握其对疲劳性能的影响.为了系统性地研究残余应力松弛规律,以2024-T351铝合金标准试件为研究对象,综合考虑应力幅、载荷条件和喷丸引起冷作硬化程度的改变对残余应力的影响,根据理论构建残余应力松弛模型.通过拉伸疲劳试验,基于全寿命试验数据和阶段性试验数据对松弛模型进行验证,证明了模型的有效性.