喷丸处理Ti-6Al-4V合金残余应力场特征与演变规律研究

摘要

Ti-6Al-4V合金具有优异的综合性能，在航空航天等领域具有非常重要的应用价值，但是该合金的抗疲劳性能较差，在服役过程中易发生疲劳失效，限制了钛合金的应用。喷丸强化处理能够有效改善钛合金的抗疲劳性能，其在强化层内部产生的残余压应力是提高抗疲劳性能的关键因素。本文利用X射线衍射、透射电镜等技术系统地研究了湿、干式喷丸强化后Ti-6Al-4V合金在不同喷丸工艺参数下残余应力场的分布规律和对应的微观组织演变规律，并基于微观组织特征分析了残余应力场的形成机理。另外，通过有限元模拟方法对钛合金的干喷丸过程进行了数值模拟，探究喷丸工艺参数对残余应力场的影响。实验研究和数值模拟的结果能够为工程应用提供理论支撑和指导。结果表明： Ti-6Al-4V合金在不同的喷丸工艺参数下残余应力场的各个特征参数（表面残余压应力、最大残余压应力及其位置、残余压应力场深度）不同。随着喷丸强度的提高，残余压应力场深度增加，最大残余压应力数值增加、位置内移。当喷丸强度提高到一定程度后，残余应力场发生饱和。随着喷丸覆盖率的提高，表面残余压应力降低，最大残余压应力数值增加、位置内移，残余压应力场深度增加。随着材料表面加工硬化程度的提高，最大残余压应力位置内移。另外，在干喷丸工艺中，陶瓷丸喷丸后形成的表面残余压应力和最大残余压应力数值要大于铸钢丸喷丸。 通过对强化层的微观组织进行观察发现，根据微观组织特点可将残余压应力层分为表面应力区、近表面应力区、最大应力区和近基体应力区四个区域。最大应力区总是伴有长程有序排列的位错塞积群，这种微观组态代表着高度的应力集中状态。另外，在一定喷丸条件下，该区组织还存在位错缠结和变形孪晶。表面区和近表面区组织分别发生动态回复和位错间的交互作用，残余应力发生松弛，因此最大残余压应力位于次表层。对残余应力曲线进行力学分析表明，最大残余压应力位置与赫兹动态压力产生的最大剪应力位置吻合。因此，最大残余压应力位置是微观组织和赫兹动态压力共同作用的结果。 模拟结果表明，提高喷丸速度能够明显提高残余应力场的各个特征参数，但是当喷丸速度提高到一定程度后，残余压应力场发生饱和，进一步提高速度会使表面残余压应力和最大残余压应力数值降低。提高喷丸覆盖率使得表面残余压应力减小，最大残余压应力数值增加、位置内移，残余压应力场深度增加。此外，靶材强度高的钛合金能够产生数值更大的表面残余压应力和最大残余压应力。模拟结果和实验结果反映规律一致，证明了模型的有效性。

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