噴丸強化過程的數值模擬與疲勞裂紋擴展行為研究.pdf

1、疲勞問題一直以來都是工業(yè)上備受關注的問題之一。金屬零部件和工程結構疲勞斷裂不僅造成巨大的經濟損失，甚至會危及到人員的生命安全。研究材料的疲勞裂紋擴展行為具有重大的工程實用價值和社會經濟意義。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展，通常對材料的表面進行強化處理。噴丸是一種在工業(yè)生產中應用極為廣泛的表面強化工藝，通過向金屬材料的表層注入殘余壓應力并優(yōu)化其組織結構，顯著提高零部件的抗疲勞和抗應力腐蝕等性能。近年來，隨著有限元技

2、術和電子計算機的飛速發(fā)展，通過數值模擬研究噴丸強化機制和優(yōu)化噴丸過程參數，已成為當前噴丸強化技術進一步發(fā)展的要求和潮流。
　　本研究主要內容包括：⑴通過單丸噴丸模型研究模型參數對數值結果的影響。從受噴區(qū)域的動態(tài)應力演化和殘余應力分布兩個方面評估對稱胞元模型預測的殘余應力。根據對稱胞元模型的模擬方法，對預應力噴丸強化過程進行建模研究，發(fā)現隨著噴丸速度的增大，噴丸強化所致殘余壓應力對預加拉應力愈加敏感。根據真實的噴丸強化工藝和基于受噴

3、表面凹坑分布的統(tǒng)計分析，提出隨機概率噴丸模型。利用該模型模擬二次噴丸強化過程，結果表明二次噴丸強化能夠有效強化靶材表層的殘余壓應力并減小受噴表面粗糙度。⑵基于激光沖擊波壓力的時空分布模型和能夠表征材料流動應力Arrhenius和non-Arrhenius特征的統(tǒng)一本構模型，建立三維單點激光噴丸高導無氧（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化效果的交互影響以及應力波在靶材內部的傳播特性。單點多次

4、激光噴丸強化的殘余應力趨于飽和，這主要與靶材的硬化歷史有關。雙面激光噴丸強化的殘余應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。⑶采用位錯密度演化模型定量預測噴丸強化過程中受噴區(qū)域細化的晶粒尺寸和增加的位錯密度。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，位錯密度顯著增加，并且細化的晶粒尺寸和增加的位錯密度隨著重復噴丸次數的增加而逐漸趨于飽和。此外，建立晶體塑性本構模型，模擬單晶銅在沖擊載荷下的變形行

5、為。⑷采用非標準緊湊拉伸試樣對2024-T4鋁合金進行常幅和變幅載荷下的疲勞裂紋擴展試驗。在常幅載荷下，用名義應力強度因子幅表征的疲勞裂紋擴展行為呈現出明顯的應力比效應?；谄趩⒘押土鸭y擴展的統(tǒng)一模型能夠很好地預測不同應力比下疲勞裂紋擴展速率。單個拉伸過載會產生顯著的疲勞裂紋擴展遲滯現象。當裂紋擴展出過載影響區(qū)后，疲勞裂紋擴展行為將恢復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展遲滯行為主要與兩個順序加載歷史參數有關。變幅