高强钢表面强化残余应力场实验研究与数值模拟

摘要

随着高强度钢的应用领域越加广泛，由高强度钢所制备的零部件因为长时间承受交变载荷压力，在表面上形成疲劳裂纹致使失效的情况逐渐增加。为此，采用喷丸、孔冷挤压和渗碳等表面强化对这些承受交变载荷的高强钢零部件进行表面强化处理，采用实验研究与数值模拟相结合的方法，分析残余应力场的分布规律，以提高其使用寿命。本研究不仅具有重要的理论意义，更具有重要的工程意义。
　　本文对不同喷丸与孔冷挤压工艺基于高强度钢试样残余应力场的影响进行了分析，并通过有限元法对喷丸与孔冷挤压后形成的残余应力场开展了数值模拟。研究了不同渗层深度及不同表面碳含量对20CrMnTi钢试样残余应力场的影响，并采用有限元法对其进行了数值模拟。
　　通过X应力仪测试喷丸、孔冷挤压与渗碳后试样的残余应力，再通过电解抛光法依次测试残余应力的范围。此外，通过X射线衍射仪对喷丸、孔冷挤压与渗碳前后试样晶体结构开展了研究，测定试样表面显微硬度逐层变化情况，观察试样组织形貌。通过ANSYS软件构建有限元模型，对不同喷丸、孔冷挤压和渗碳工艺条件下的残余应力场进行了数值模拟。
　　实验结果表明，伴随喷丸时间的增长，不断增大最大残余应力和强化深度，表面残余应力逐渐降低，相对于小直径弹丸而言，通过大直径弹丸形成的强化深度较大。如果喷丸强度不断增加，最大残余应力、强度也不断上升。通过玻璃丸与陶瓷丸开展二次喷丸增强了试样表面残余应力。喷丸后高强度钢试样表面位错数量有所上涨，试样表面显微硬度也增强。
　　孔冷挤压后孔内表面的晶粒发生变形并纤维化，在材料表面形成强化层，提高了材料表层的硬度，在距孔边大约一个孔径的范围内形成残余压应力，最大残余压应力出现在距孔边大约1mm处。
　　试样经过渗碳处理后，会在表层产生残余压应力层，但压应力的最大值并不处在表层而是处在渗碳层的内部。渗碳淬火后再进行回火处理，明显地降低了试样的残余压应力值；降低渗碳时间和表面碳含量都会使残余压应力值降低，并使残余压应力的最大值向表面移动。
　　模拟结果表明喷丸、孔冷挤压和渗碳后试样的残余应力场发展特点模拟结果和试验结果相同，表明模型的有效性可以运用在各种工艺参数下喷丸、孔冷挤压与渗碳过程中的数值模拟。
　　喷丸工艺的模拟结果显示，不断增加弹丸速度，最大残余压应力、最大残余压应力深度、强化深度依次增长；弹丸弹性模量基于喷丸后残余应力场的影响较小。伴随弹丸直径的增大，最大残余压应力、最大残余压应力深度与强度也会随之提高。
　　随着挤压强度的增加，孔边残余压应力和外部的残余拉应力都随之增大，同时，残余压应力的峰值点到孔边的距离也随着挤压强度的增加而增加。随着孔径的增大，孔边残余压应力峰值的大小逐渐减小，但其分布宽度增加。当孔边距比e/d较小时，孔边残余压应力较小，而外部的残余拉应力较大。伴随e/d的增长，残余压应力也会随之提高，残余拉应力降低，残余压应力的分布区域拓宽。
　　用残余应力场模型对渗碳试样在淬火冷却过程中的瞬时应力进行模拟，试样在冷却到50秒时，应力分布为表面受拉，心部受压；冷却到260s时的应力分布为表面受压，心部受拉；冷却到1300s时的应力分布与260s时一样，表面受压，心部受拉，但压应力的数值明显大于260s时的数值，在距表面大约0.7mm处，压应力达到最大值。

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第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 喷丸强化技术

1.3 孔冷挤压强化技术

1.4 表面渗碳强化技术

1.5 残余应力的研究现状

1.6 本文的研究目的与内容

第2章 实验材料与方法

2.1 实验材料

2.2 表面强化工艺

2.3 试验方法

2.4 模拟方法

第3章 高强度钢表面喷丸强化残余应力场实验测定及其数值模拟

3.1 高强度钢试样喷丸实验结果及其分析

3.2 高强度钢试样喷丸残余应力场的数值模拟及分析

3.3 本章小结

第4章 高强度钢孔挤压表面强化残余应力场测定及数值模拟

4.1 高强度钢试样孔挤压实验结果及分析

4.2 高强度钢试样孔挤压残余应力场的数值模拟与分析

4.3 本章小结

第5章 20CrMnTi钢渗碳表面强化残余应力场测定及数值模拟

5.1 20CrMnTi钢渗碳试样实验结果及分析

5.2 20CrMnTi钢渗碳试样温度场及应力场数值模拟

5.3 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间承担的科研任务与主要成果

致谢