卧式离心式滚磨光整TC4试件表面完整性与抗疲劳性能实验研究

摘要

钛合金TC4因其密度小、比强度高、耐腐蚀性能好，在航空航天、石油化工以及医疗等领域得到广泛的应用，但是由于硬度低以及疲劳性能偏差导致在很多方面限制了其进一步的应用。滚磨光整加工作为机械加工的终道加工工序，可以改变零部件表面完整性，提高零部件的抗疲劳性能。为此，本文以航空钛合金材料TC4试件为研究对象，采用仿真与实验结合的方法，对卧式离心滚磨光整TC4试件进行了系统研究，以改善试件表面完整性，进而提高其抗疲劳性能。
　　首先，通过ABAQUS对板材进行静强度分析，基于多元正交回归分析方法与FE-SAFE疲劳寿命仿真对影响板材疲劳性能的显著因素粗糙度、残余应力、外载应力等因素做了定性分析并确定裂纹萌生的初始位置，继而采用ABAQUS6.11集成的裂纹扩展有限元方法对裂纹扩展路径做了仿真模拟并与实验对比，证明了仿真的正确性。
　　其次，采用三因素四水平的正交实验方法对卧式离心滚磨光整加工板材单面及双面进行了实验研究，得到不同工艺参数对表面完整性参数的影响规律；单面加工时，加工时间为60min，磨块直径为10mm，装入量为80%；双面加工时，磨块直径为5mm，加工时间为15min，装入量为80%，材料去除量最大；无论是单面加工还是双面加工，磨块直径为7mm，加工时间为45min，装入量为60%，表面粗糙度下降值最大；磨块直径为10mm，装入量为60%，加工时间为30min时，残余压应力最大。在此基础上，采用综合平衡法得到了表面完整性较优的工艺参数：磨块直径7mm，加工时间45min，装入量60%。
　　最后，进行了单双面光整加工后试件的拉-拉疲劳实验，得出双面加工之后试件的疲劳寿命略大于单面加工之后试件的疲劳寿命；基于阶梯级固定应力水平下单双面加工板材疲劳寿命结果，采用多元线性回归分析的方法，拟合出粗糙度、硬度、残余应力、应力水平对疲劳寿命的影响关系，通过回归分析和方差分析验证了公式的正确性；采用公式计算出了未经滚磨光整加工试件疲劳极限为289MPa，单面滚磨加工之后试件的疲劳极限为450MPa，较加工前疲劳极限提高15.7%；双面加工之后疲劳极限为578MPa，较加工前疲劳极限提高48.5%。进而通过观察断口形貌以及金相组织对抗疲劳机理进行了分析，可以看出加工前后组织细化且裂纹萌生于次表层而非表层；通过XRD衍射实验可以看出衍射峰发生偏移，说明滚磨光整加工引入残余压应力可抑制裂纹萌生以及扩展从而提高疲劳寿命。
　　本文得到了卧式离心滚磨光整加工TC4试件以提高其表面完整性较优的工艺参数，提高了钛合金的疲劳性能；研究成果对于离心式滚磨光整加工钛合金类零部件工艺参数选取提供了依据，为钛合金材料进一步的应用提供了参考。

目录

第一章 绪论

1.1引言

1.2 金属疲劳破坏的机理及其危害性

1.3 金属抗疲劳制造技术

1.4国内外关于提高钛合金抗疲劳性能的工艺研究现状

1.5 关于钛合金滚磨光整加工的现状

1.6 本文研究课题的意义、目的及内容

1.7本章小结

第二章 卧式离心式滚磨光整加工钛合金疲劳寿命的数值模拟

2.1卧式离心式滚磨光整加工对表面完整性及疲劳性能的影响

2.2 ABAQUS/FESAFE软件的简介

2.3 基于ABAQUS软件的静强度分析

2.4 基于FE-SAFE软件的疲劳寿命仿真

2.5 本章小结

第三章 离心式滚磨光整加工TC4试件单-双面表面完整性的实验研究

3.1实验设备与实验材料

3.2实验方案

3.3表面完整性表征参数的测试

3.4 单-双面加工试验结果与分析

3.5 单面加工与双面加工实验结果与讨论

3.6 单双面加工对比分析

3.7 本章小结

第四章 离心式滚磨光整加工表面完整性对疲劳性能影响的实验研究

4.1 实验设备与材料

4.2 实验内容

4.3 实验设计与实验结果

4.4 断口形貌与疲劳破坏机理分析

4.5 本章小结

第五章 总结与展望

5.1总结

5.2展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的学术论文