表面强化后梯度结构与残余应力对疲劳寿命的影响

表面强化技术使零件表层结构呈梯度分布并产生较高的残余压应力,可有效提高零件的使用寿命。近年来,表层梯度结构与残余应力对零件疲劳寿命的影响机理成为研究热点。综述了梯度结构与残余应力及其松弛对材料疲劳性能影响的新进展。材料经表面强化后,其表层晶粒明显细化,尺寸沿深度方向呈梯度分布,促使裂纹源转移至硬化层内部。残余应力与外力叠加,降低了零件的实际受力,从而影响零件的疲劳寿命,然而目前尚不能从机理层面对其进行揭示。对于残余应力松弛,目前的主要问题在于松弛模型的建立尚未完善。此外,在裂纹萌生阶段,梯度结构与残余应力均对零件疲劳强度有重要的影响,二者中哪个因素在疲劳过程中起到主导作用还未可知。     

发动机1Cr11Ni2W2MoV叶片激光冲击强化的应用研究

激光冲击强化是一种新型表面处理技术,利用高功率激光束冲击金属零件表面,在零件表面形成较大的残余压应力,可有效改善零件的疲劳性能。以发动机1Cr11Ni2W2MoV叶片为研究对象,对其进行了激光冲击强化处理,研究强化处理对材料的微观组织和疲劳性能的影响。研究结果表明:相比未处理试样,激光冲击强化在1Cr11Ni2W2MoV叶片材料表层形成较大的残余压应力,表层晶粒更为细化,叶片的疲劳寿命提高1.7倍。     

高能喷丸制备具有表面梯度结构的Ti-6Al-4V合金的疲劳裂纹扩展行为（英文）

通过高能喷丸(HESP)在Ti-6Al-4V合金表面成功制备梯度结构，并研究其对疲劳裂纹扩展的影响。采用光学显微镜、扫描电子显微镜、透射电子显微镜和X射线衍射仪对HESP过程中的显微组织和残余应力演变进行表征。结果表明，材料表面形成的梯度纳米结构具有220μm深度的残余压应力层。梯度纳米结构的产生能改善合金的强塑性匹配。最大残余压应力产生于次表层，且随着喷丸时间的增加逐渐增大。HESP处理有效降低裂纹扩展速率，提高疲劳裂纹扩展寿命。残余压应力可降低裂纹尖端的有效应力强度因子范围(ΔK’_eff)，从而产生裂纹闭合效应并延缓裂纹扩展。同时，晶粒细化引起的晶界增加、有效滑移长度减小和裂纹尖端塑性区的协同作用也会使裂纹扩展阻力增大。     

超声滚压对LZ50钢疲劳性能及短裂纹行为的影响EI北大核心CSCD

针对超声滚压(USRP)对材料短裂纹行为影响规律不明的问题,对LZ50钢开展USRP试验,对比分析USRP对材料表面形貌、表层显微组织、表层显微硬度、残余应力分布和疲劳寿命的影响,并在340MPa应力水平下开展旋转弯曲复型试验,研究USRP对疲劳短裂纹萌生和扩展的影响。结果表明:USRP能使材料表面发生塑性变形,有效改善材料表面状态,降低表面粗糙度;处理后的LZ50钢表层铁素体、珠光体组织显微硬度平均值分别从200 HV和240 HV提升至304 HV和357 HV,表层残余压应力从-103 MPa提升至-720 MPa,且表层显微硬度和残余压应力沿深度方向呈梯度分布,影响层深约为300μm。在340MPa应力水平下,USRP试样平均疲劳寿命提升385.54%,疲劳短裂纹突破晶界障碍、珠光体带状组织,出现第一、第二次显著降速时的平均寿命分数f分别从0.068和0.469延后至0.172和0.604,短裂纹的萌生和扩展得到明显抑制与延缓。研究结果有助于明确USRP在抑制材料疲劳裂纹萌生与扩展上发挥的积极作用,可为工程材料表面强化工艺的选择提供参考。     

孔挤压强化技术研究进展

概述了直接、间接和复合孔挤压强化的研究现状,从残余应力与微观组织的角度总结了孔挤压强化的抗疲劳强化机理,基于孔结构的疲劳寿命和断口形貌详细分析了孔挤压强化的疲劳性能。研究结果表明,孔挤压强化的孔结构孔壁形成残余压应力,孔结构受到外加交变载荷时孔壁残余压应力能够抵消部分外加交变载荷产生的拉应力,降低了受载孔结构孔壁的应力峰值和平均应力;孔挤压强化的孔结构孔壁发生剧烈的塑性变形,孔壁微观组织发生细化,形成位错胞状结构,能够抑制晶粒的位错滑移,延缓了疲劳裂纹萌生,增大了疲劳裂纹萌生的门槛值,降低了疲劳裂纹扩展速率;在残余应力和微观组织的共同作用下,提高了孔挤压强化孔结构的疲劳寿命。最后,展望了孔挤压强化的发展趋势和研究问题。     

超声喷丸对工业纯Zr疲劳裂纹扩展行为的影响

对厚度为2.0 mm的工业纯锆板材进行双面超声喷丸（USSP）处理,研究了超声喷丸（USSP）对微观组织演变和疲劳裂纹扩展（FCG）行为的影响。通过光学显微镜、激光共聚焦显微镜、背散射电子衍射仪、透射电子显微镜和X射线衍射仪分别对微观结构演变进行表征。采用紧凑拉伸试样进行FCG试验,对断口形貌和裂纹扩展路径进行分析。结果表明,USSP处理后形成了具有约250 μm深度残余压应力的表面梯度结构,USSP试样比原始试样表现出更高的强度和表面粗糙度。值得注意的是,USSP-8 min和USSP-12 min试样的疲劳裂纹扩展寿命比原始试样分别提高了28.1%和50.9%。USSP处理有助于提高疲劳裂纹扩展抗力,进而在一定程度上降低疲劳裂纹的扩展速率。FCG性能的提高可归因于残余压应力和晶粒细化的共同作用,残余压应力增强了裂纹闭合效应,降低了有效应力比。同时,晶粒细化使晶界比例增加,循环塑性区尺寸减小,从而有利于抵抗裂纹扩展。     

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。     

表面处理技术改善结构表面残余应力的研究进展

表面形变强化技术是通过一定的技术手段诱导表层组织产生高幅值残余压缩应力,细化表层晶粒,从而抑制裂纹从表面萌生,提高抵抗疲劳破坏的能力。介绍了喷丸、超声冲击、激光喷丸和激光温喷丸等表面形变强化技术的原理。讨论了强化处理后表层组织残余应力的变化以及高温条件下残余应力的释放行为和疲劳寿命的增益问题,以期能为材料表面处理提供新思路。     

湿喷丸强化对TC4疲劳性能的影响机制

利用湿喷丸技术对TC4钛合金进行表面改性处理,显著提高了材料疲劳寿命。对疲劳断口微观组织观察发现,湿喷丸强化处理使试样疲劳裂纹萌生位置由表面转移至试样内部约1 mm深度区域。通过对湿喷丸改性层微观组织分析可知,改性层内的细晶强化和位错强化是导致裂纹萌生位置发生改变的主要因素。湿喷丸引入的残余压应力对裂纹扩展起到有效的阻碍作用。细晶强化、位错强化和残余压应力共同作用提高TC4钛合金的抗疲劳性能。     

湿喷丸强化对TC4合金疲劳断裂机制的影响

利用湿喷丸技术对TC4钛合金进行表面改性处理,显著提高了材料疲劳寿命。对疲劳断口微观组织观察发现,湿喷丸强化处理使试样疲劳裂纹萌生位置由表面转移至试样内部约1 mm深度区域。通过对湿喷丸改性层微观组织分析可知,改性层内的细晶强化和位错强化是导致裂纹萌生位置发生转移的主要因素,同时,湿喷丸引入的残余压应力对裂纹扩展起到有效的阻碍作用。细晶强化、位错强化和残余压应力共同提高了TC4钛合金的抗疲劳性能。     

激光冲击强化对焊缝组织性能影响的研究进展

激光冲击强化(LSP)是一种典型的非弹丸撞击式表面强化技术,可有效提高金属材料的抗疲劳能力、抗腐蚀能力、金属耐磨性能和使用寿命,具有应变率高、效率高、强化效果好等优点。焊缝质量直接影响了焊接件的合格率,而焊缝强化一直是一个比较难的挑战。首先,介绍了激光冲击强化的加工原理,总结了激光冲击强化的影响参数及条件,包括激光功率密度、约束层和吸收层、激光冲击次数、光斑搭接率以及激光脉宽。控制强化工艺参数可以使焊缝显微硬度提升50%、残余压应力提升65%以上,大幅度提升抗拉强度,降低疲劳裂纹扩展。其次,综述了国内外研究人员运用激光冲击强化技术对不同材料焊缝强化的研究与应用,重点论述了激光冲击强化对焊缝力学性能和显微组织的显著强化效果,与未强化试样对比,强化后试样的各项性能明显提升。其中针对力学性能,详细分析了显微硬度、残余应力和疲劳裂纹扩展的变化情况,结合残余应力的理论研究、仿真分析、试验论证以及显微组织变化情况,认为激光冲击强化导致马氏体组织发生了碎化,提高了硬度,产生了残余压应力,引起了晶粒细化,进而有效控制了疲劳裂纹扩展,阻止了裂纹产生,提升了疲劳寿命。通过激光冲击强化不同工艺参数的协同作用,可以获得较高的残余压应力和硬度,引起动态再结晶、晶粒细化等微观组织演变以及位错运动,使焊缝力学性能和显微组织产生相互影响。分析认为,激光冲击强化技术是焊缝强化的有效焊接后处理工艺。最后,展望了激光冲击强化技术在焊缝强化领域中的应用前景。     

形变强化金属材料表面状态特征的疲劳演变研究进展

概述了形变强化技术对金属材料疲劳性能的增强机理,主要归因于残余压应力、加工硬化、微观组织等表面状态特征的协同作用。重点综述了形变强化处理后金属材料表层的残余应力、加工硬化以及微观组织等表面状态特征在热载荷、机械载荷影响下疲劳演变的研究进展,分别总结了热载荷、机械载荷以及热–机械耦合载荷等作用条件下残余应力松弛行为、加工硬化松弛行为以及微观组织的疲劳演变规律与机理,并就热载荷、机械载荷作用下残余应力松弛行为的理论预测模型进行了归纳总结。在此基础上,讨论了关于残余应力、加工硬化以及微观组织等表面状态特征因素之间内在联系的研究进展,并指出了对于上述三者之间的逻辑关系目前研究存在的不足之处,以及尚待解决的问题。最后分析了当前金属材料表面形变强化研究中存在的一些问题与不足,并对表面形变强化抗疲劳制造技术未来的发展趋势进行了展望。     

水射流喷丸对渗碳钢表层组织与裂纹扩展性能的影响

对低碳钢渗碳淬火试样进行表面水喷丸处理,研究水喷丸对渗层表面组织结构及其疲劳裂纹扩展速率的影响。结果表明:添加细玻璃丸的水喷丸处理能显著细化表层亚结构,提高小角度晶界密度,并为渗层带来有效的残余压应力。在300 MPa水压及600 mm/min扫描速率工艺下,可实现100 μm左右深度,最高达1244 MPa的残余压应力,其表面粗糙度R_a=0.195 μm。疲劳裂纹速率试验结果显示,经过水喷丸处理后裂纹扩展速率da/dN有增加的趋势,这主要是因为表面压应力形成,增加了心部拉应力,且表层的变形强化降低了裂纹尖端塑性区。     

超声滚压强化对2D12铝合金疲劳性能的影响

通过对比分析2D12铝合金超声强化试样与抛光试样的疲劳性能,对表面硬化、残余应力和疲劳寿命进行了研究。残余压应力和梯度纳米晶结构对改善构件的疲劳性能起着至关重要的作用,可以有效减少疲劳裂纹的萌生和扩展。实验及分析预测结果表明,试样经超声强化后,轴向压应力提高了55%,显微硬度提高了20%。通过对表面强化规律的研究,为2D12铝合金的强化工艺和疲劳性能的影响提供了指导。     

表面纳米化对工业纯锆四点弯曲疲劳性能的影响

采用表面机械研磨工艺对工业纯锆进行处理,利用四点弯曲疲劳试验对试样的疲劳性能进行测试。通过对试样微观组织观察、显微硬度和残余应力表征,并结合有限元方法对四点弯曲试样应力分布的模拟,分析表面纳米化对工业纯锆四点弯曲疲劳性能的影响机理。研究表明,表面纳米化工业纯锆相对于原始试样疲劳极限提高约23%。这是由于原始工业纯锆在加载时最大拉应力位于试样表层,导致疲劳裂纹在表层萌生,而表面纳米化工业纯锆由于组织强化及残余压应力作用,使疲劳强度得到提高,并且使裂纹在次表层萌生,从而获得较好的疲劳性能。     

超声强化2D12铝合金疲劳断裂过程的微观分析

采用超声强化工艺对2D12铝合金进行表面处理,借助金相显微镜和扫描电镜,并结合原位跟踪测量裂纹长度的方法,对强化后的疲劳断裂行为进行了研究。结果表明,超声强化后2D12铝合金表面晶粒得到细化,疲劳源主要产生于试样表面,仅个别向内部转移,强化后疲劳寿命提升了约8倍。其原因一方面是强化过程在试样表面引入了残余压应力,由于裂纹扩展过程倾向于连接裂纹扩展路径上的缺陷,所以残余压应力的存在效降低了裂纹在两缺陷间的扩展速率;另一方面晶粒细化导致晶界密度增加,加强了对裂纹扩展的阻碍,从而有益于提高裂纹扩展寿命。     

Microstructural Evolution,Mechanical Properties and Thermal Stability of Gradient Structured Pure Nickel

The microstructural evolution of pure nickel treated by deep rolling(DR) technique with different indent depths was investigated by means of optical microscopy and transmission electron microscopy.The surface roughness, hardness and residual stress distribution along the depth from surface were measured.Moreover, the DR-treated sample was annealed at temperatures from 300 to 700 ℃ for 2 h.The results reveal that dislocation movements are the fundamental mechanisms of gradient grain refinement during the DR process.With increasing indent depth of the DR, the gradient microhardness on the cross section of sample significantly increases, the maximum compressive residual stress decreases, and the affecting region of residual stress increases.The results of thermal stability depict that the microstructure can be stable as temperature up to 300 ℃, and the abnormal grain growth and annealing twins are observed at 600 ℃.