噴丸強(qiáng)化過程的數(shù)值模擬與疲勞裂紋擴(kuò)展行為研究.pdf

1、疲勞問題一直以來都是工業(yè)上備受關(guān)注的問題之一。金屬零部件和工程結(jié)構(gòu)疲勞斷裂不僅造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，甚至?xí)＜暗饺藛T的生命安全。研究材料的疲勞裂紋擴(kuò)展行為具有重大的工程實(shí)用價(jià)值和社會(huì)經(jīng)濟(jì)意義。疲勞易啟裂于零部件的表面，為了抑制表面裂紋的萌生和擴(kuò)展，通常對材料的表面進(jìn)行強(qiáng)化處理。噴丸是一種在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用極為廣泛的表面強(qiáng)化工藝，通過向金屬材料的表層注入殘余壓應(yīng)力并優(yōu)化其組織結(jié)構(gòu)，顯著提高零部件的抗疲勞和抗應(yīng)力腐蝕等性能。近年來，隨著有限元技

2、術(shù)和電子計(jì)算機(jī)的飛速發(fā)展，通過數(shù)值模擬研究噴丸強(qiáng)化機(jī)制和優(yōu)化噴丸過程參數(shù)，已成為當(dāng)前噴丸強(qiáng)化技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展的要求和潮流。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴通過單丸噴丸模型研究模型參數(shù)對數(shù)值結(jié)果的影響。從受噴區(qū)域的動(dòng)態(tài)應(yīng)力演化和殘余應(yīng)力分布兩個(gè)方面評估對稱胞元模型預(yù)測的殘余應(yīng)力。根據(jù)對稱胞元模型的模擬方法，對預(yù)應(yīng)力噴丸強(qiáng)化過程進(jìn)行建模研究，發(fā)現(xiàn)隨著噴丸速度的增大，噴丸強(qiáng)化所致殘余壓應(yīng)力對預(yù)加拉應(yīng)力愈加敏感。根據(jù)真實(shí)的噴丸強(qiáng)化工藝和基于受噴

3、表面凹坑分布的統(tǒng)計(jì)分析，提出隨機(jī)概率噴丸模型。利用該模型模擬二次噴丸強(qiáng)化過程，結(jié)果表明二次噴丸強(qiáng)化能夠有效強(qiáng)化靶材表層的殘余壓應(yīng)力并減小受噴表面粗糙度。⑵基于激光沖擊波壓力的時(shí)空分布模型和能夠表征材料流動(dòng)應(yīng)力Arrhenius和non-Arrhenius特征的統(tǒng)一本構(gòu)模型，建立三維單點(diǎn)激光噴丸高導(dǎo)無氧（OFHC）銅的有限元模型。通過該模型定量研究激光功率密度和激光脈沖半高寬對噴丸強(qiáng)化效果的交互影響以及應(yīng)力波在靶材內(nèi)部的傳播特性。單點(diǎn)多次

4、激光噴丸強(qiáng)化的殘余應(yīng)力趨于飽和，這主要與靶材的硬化歷史有關(guān)。雙面激光噴丸強(qiáng)化的殘余應(yīng)力對靶材的厚度十分敏感，這主要與雙面噴丸過程中沖擊波的相互作用有關(guān)。⑶采用位錯(cuò)密度演化模型定量預(yù)測噴丸強(qiáng)化過程中受噴區(qū)域細(xì)化的晶粒尺寸和增加的位錯(cuò)密度。在彈丸或激光束的沖擊載荷下，靶材表層的晶粒尺寸顯著減小，位錯(cuò)密度顯著增加，并且細(xì)化的晶粒尺寸和增加的位錯(cuò)密度隨著重復(fù)噴丸次數(shù)的增加而逐漸趨于飽和。此外，建立晶體塑性本構(gòu)模型，模擬單晶銅在沖擊載荷下的變形行

5、為。⑷采用非標(biāo)準(zhǔn)緊湊拉伸試樣對2024-T4鋁合金進(jìn)行常幅和變幅載荷下的疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)。在常幅載荷下，用名義應(yīng)力強(qiáng)度因子幅表征的疲勞裂紋擴(kuò)展行為呈現(xiàn)出明顯的應(yīng)力比效應(yīng)?；谄趩⒘押土鸭y擴(kuò)展的統(tǒng)一模型能夠很好地預(yù)測不同應(yīng)力比下疲勞裂紋擴(kuò)展速率。單個(gè)拉伸過載會(huì)產(chǎn)生顯著的疲勞裂紋擴(kuò)展遲滯現(xiàn)象。當(dāng)裂紋擴(kuò)展出過載影響區(qū)后，疲勞裂紋擴(kuò)展行為將恢復(fù)到常幅載荷下的狀態(tài)。高-低變幅載荷工況引起的疲勞裂紋擴(kuò)展遲滯行為主要與兩個(gè)順序加載歷史參數(shù)有關(guān)。變幅