借助强度改变的搅拌摩擦加工图案对承载部件结构性能的控制

摘要

要求保护一种控制承载部件开始屈变的位置和指定类型的负荷在屈变位置处启动塌陷模式的方法。步骤包括：选择期望的变形区域和塌陷运动模式；选择包括至少一个加强或减弱区域的强度改变图案，以便控制部件中发生塑性变形的位置，从而在部件受到设计负荷时，所述图案使变形进入期望的塌陷模式或形状；以及通过搅拌摩擦加工把强度改变图案施加到部件上，形成至少一个相对于部件基材的加强或减弱区域。

说明书

1.相关申请的交叉引用

本申请要求在2010年4月30日提交的、题目为“CONTROL OF STRUCTURAL PERFORMANCES IN LOAD-BEARING COMPONENTS BY MEANS OF STRENGTH-ALTERING，FRICTION STIR PROCESSED PATTERNS”、序号为61/343,496 的美国临时专利申请中公开的一个或多个发明的优先权。在此根据35USC§119(e)要求享 有所述美国临时专利申请的权益，上述专利申请在此通过引用而结合在本文中。

2.技术领域

本发明涉及的领域是对承载部件结构性能的控制。更具体地说，本发明涉及通过强度 改变的搅拌摩擦加工图案对承载部件结构性能的控制。

3.发明背景

机器中的机械部件以诸如弯曲、扭转和轴向模的各种模式承载负荷。在机械设计中， 通常将部件的几何形状设计成能构最佳地适应负荷，例如，通过与弯曲力矩成正比地增大 梁的截面，从而使应力沿梁的长度方向恒定。也可能在部件的尺寸范围内改变材料特性， 以达到所需要的部件性能。

对各种机器而言，重要的设计考虑是在有冲击的情况下耗散能量的能力。在这种情况 下，希望使给定设计的所有产品以高度可重复的方式运行。例如，汽车的能量吸收元件对 于每辆汽车都必须以相同的方式变形，因为应对汽车能提供一致的耐撞击性有信心。在某 些负荷模式下，达到这个目标比其它模式更困难。

当在压缩轴向模下承载负荷时，部件翘曲，使得可重复性更难实现。在这种情形下， 小瑕疵的位置会强烈影响变形特性，除非在设计中有意引入某些几何形状特性。通常，这 是通过零件形状的细节完成的。然而，有意改变在部件某些区域中的材料强度可以提供同 样的益处。

4.发明内容

提出了一种控制方法，用于控制在承载部件中开始屈变的位置和对于指定类型的 负荷在屈变位置启动的塌陷模式。步骤包括：选择期望的变形区域和塌陷的运动模式； 选择包括至少一个加强或减弱区域的强度改变图案，以便控制在部件中发生塑性变形 的位置，从而在部件受到设计负荷时，所述图案使变形进入期望的塌陷模式或形状； 以及通过搅拌摩擦加工而把强度改变图案施加到部件上，相对于部件的基材形成至少 一个加强或减弱区域。

5.附图说明

图1示出了在正方形截面管上的、搅拌摩擦加工图案。

图2示出了在施加压缩力之前的具有搅拌摩擦加工图案的管子。

图3示出了在测试期间样本的压缩负荷与压缩位移的曲线图。

图4示出了加载负荷后的样本1和2。

图5a示出了对应于样本3的、修改的搅拌摩擦图案。

图5b示出了对应于样本1的、初始的搅拌摩擦图案。

图6a示出了在测试后对应于图5a的、具有修改的搅拌摩擦图案的修改的管子(样 本3)。

图6b示出了在测试后对应于图5b的、具有初始的摩擦搅拌图案的初始的管子(样 本1)。

图7示出了控制承载部件的结构性能的方法。

图8a-8c示出了沿部件的一部分的加强FSP区域的图案。

6.具体实施方式

搅拌摩擦加工(FSP)是目前已经验证的、用于改变金属合金机械强度的方法， 它通常被用来改变金属合金的近表面特性。搅拌摩擦加工具体改变材料的微观结构， 改变的微观结构属性包括晶粒尺寸、第二相粒子分布、位错密度和晶体结构。这些属 性对于强度具有一阶效应，但仅略微影响部件或材料的弹性模数。

因此，搅拌摩擦加工图案将改变部件的强度，但不会明显改变它的硬度。这提供 了改变部件消散能量的能力，却不改变它的取决于硬度而非强度的其它方面的性能。 而且，根据部件的合金和加工条件，在施加搅拌摩擦加工图案后，加工区域的强度可 以高于或低于部件的基材。部件基材的改变是可重复的。

本发明的一个实施例是一种方法，规定了根据部件的几何形状和负荷性质以影响 结构性响应的方式局部改变机械特性的步骤，以控制弹性变形开始的位置和规定如何 进行变形。

这些步骤包括：

50)选择期望的变形区域和塌陷的运动模式；

52)选择包括至少一个加强或减弱区域的强度改变图案，以控制在部件中发生塑 性变形的位置，从而在部件受到设计负荷时，所述图案使得变形进入期望的塌陷模式 或形状；以及

54)通过搅拌摩擦加工而把强度改变图案施加到部件上，形成至少一个相对于部 件基材的加强或减弱区域。

所述区域设置在被设计成控制部件中塑性变形开始位置的强度改变图案中。通过 控制塑性变形的开始和发展，有可能把部件变形引到期望的最终形状。强度改变图案 取决于部件几何形状、合金和部件上的负荷。

通过在图案的布局中认识到，加工区域可以作为相对于基材的加强或减弱区域， 可以创建或控制变形的方向。如果部件中的两个区域内承受相同的应力，则当部件上 的负荷强度增大时，较弱的区域将首先屈变和塑性变形。通过搅拌摩擦加工其中一个 区域而改变部件内两个区域的相对强度。因此，通过明智地调整在搅拌摩擦加工所引 入的图案中强度的空间分布，用户可以预先选择塑性流动开始的地方。在薄壁部件中， 施加使壁在沿长度的选定位置处皱褶的图案。而且，图案使变形偏向一侧。

搅拌摩擦加工区域的设置受两个原则支配。第一个原则是屈变(从弹性、可恢复 的变形到去除负荷后不可完全恢复的弹性-塑性变形的转变)发生在受到相同应力的两 种材料或样本中较弱的材料上。第二个原则是材料在经受易延展的塑性变形时将遵循 在沿路径的每一步均需要最小能量的路径(根据虚拟能量的原理)。因此，在可能的 变形形状中，出现的形状是逐个步骤均需要最小能量的形状。

在设置FSP区域时的设计目标是首先形成负荷增加时期望在其中引发变形的、相 对较弱材料的区域(根据第一原则)，其次，得到对应于最小能量路径的期望的变形 形状(根据第二原则)。

第一步骤通过检查承载截面来完成。FSP图案被设置成以保证开始位置的应力先 于其它区域达到该强度。因此，塑性流动可以在设计者指定的区域内开始。

第二步骤通过检查通常有多个的变形兼容模式来完成。例如，柱有可能在保持笔 直的同时缩短，或通过弯曲而缩短。与总体缩短相比较，形成急弯或塑性铰链使变形 局部化。两种模式都实现了缩短，但根据柱的几何形状和材料的工作硬化特性，需要 不同的能量水平。数字建模可用于计算不同模式的消散速率，并且识别哪种模式更可 能发生。

在所述例子中，图案具有两个设计要素。与管子的其余部分相比较，在图1，2， 4中标记为4a的结构实现了形成强度减小的两个截面的第一步骤。因为在这些区域中 的应力将与管子其余部分的负荷近似相同，但强度较低，塑性流动可以沿由FSP图案 所形成区域的长度开始。标记为4b的结构意图通过使得4a的上面部分与下面部分之 间的区域横向鼓胀而完成第二步骤。期望的模式是沿4a形成皱褶，并在皱褶之间鼓胀。 这允许整个管子通过中心部分相对于两端向左的横向位移而塌陷。

图2所示的初始图案相对于4a的上面部分和下面部分形成非对称图案。变形有利 于上部FSP区域周围的局部弯曲/鼓胀，而不是在上部和下部FSP区域处均形成皱褶并 在它们之间有更多的鼓胀。在示例的样本3中对上部与下部区域之间的区带进行附加 处理，以便以需要较少能量形成扩散鼓胀的方式进一步减小总体强度。通过这种改变， 对称模式起作用，因为他需要更少的能量来启动。这在图3中得到验证，其中一旦塌 陷模式启动，用于样本3的力就小于用于样本1和2的力。

相同的策略被用于提高基材强度的FSP，除非加工区域需要更高的应力而屈变并 因此形成不首先屈变的区域。设计的第一个步骤是形成图案，在该图案中期望有变形 的承载截面排除加强区域。接下来，启动的变形模式是需要最少能量来驱动的模式， 其可以通过计算与可能模式相关的消散速率来确定。

在图8a-8c中显示了一组图案，这组图案在沿部件1长度的指定区域内留下相对 较弱的截面22。由FSP形成的加强区域21布置成禁止不希望有的模式，并且在默认 情况下使期望的模式成为可能。具有FSP的区域21加强强度并保证在加工区域中开 始屈变。在图8a中，较弱区域22在部件1的中心，在图8b中，较弱区域22在顶部 附近，而在图8c中，有靠近部件1的底部和顶部的两个较弱区域22。

加工区域的尺寸取决于工具的几何形状、工具穿透到材料中的深度、以及工具沿 部件表面横切的距离。有工具能够规定这些参数，使得设置具体适用于几何形状和特 定部件负荷的图案成为可能。

图1示出了在正方形截面的薄壁管上有区域4的强度改变的搅拌摩擦加工图案2 的例子。在沿管轴线施加的压缩负荷3作用下，搅拌摩擦加工的区域形成波纹管型的 变形。这使塌陷指向一侧，朝外凹向左侧，如图5的虚线所示。

实例1

强度改变图案设置在正方形铝管(6061-T6)的两个样本——样本1和样本2上， 给出沿管子的预先选择的位置，以使塑性变形集中。每个管子具有7.62cmx7.62cm(3” 乘3”)的截面，壁厚度为3.175mm(0.125”)。样本在测试之前被涂上斑点图案，以 便测量变形。

强度改变的搅拌摩擦加工图案被选择和设计成通过在扩展区域内相对于一侧减弱 其相对侧，以及在其它侧提供促进皱褶的变形通道来控制变形的方向。图2示出了在 加载之前的其中一个管子，在该管子中，区域4a，4b的FSP图案2很明显。应当指出， 在每个FSP路径的末端，可以看到小的、在图2中用标号11-16表示的针标。

通过使用伺服液压加载框架对样本1和2施加压缩负荷。样本的末端适配于定制 的固定装置的机制凹槽中，用来约束限制样本在末端的横向运动。加载框架的十字头 以恒定的速率前进，直至达到1.5cm的总的轴向变形。如图3所示，在压缩的过程中， 负荷增大、达到峰值、然后减小。

参照图3的压缩负荷对压缩位移的曲线图，样本1和2的负荷位移记录在负荷从 点A上升到点C时几乎是相同的(见对应于样本1的虚线和对应于样本2的点划线)。 在到达点C处的峰值负荷后，两个样本的卸载记录很相似，都结束于相等的最终负荷。

图4显示了测试后的样本1和2。虽然样本是在测试前被涂上标记的，但在图中 仍可以看到显示FSP路径末端的针标11-16。样本2的照片用白色虚线标注，以便显 示区域4a，4b。

就在某些区域中向里和在其它区域中向外鼓胀或折叠而言，样本1和2的变形形 状显示相同的图案。变形精确地发生在与搅拌摩擦加工图案相同的位置处，表明通过 搅拌摩擦加工而设置在管子上的减弱区域按计划地控制变形的位置。在两个样本中， 管子有在图4中未示出的、相同的整体弯曲。

实例2

为了说明所设置的图案的细节在输出中是重要的，并进而提供有意控制变形过程 的能力，通过如图5a所示那样就在加载之前在一侧在原先的强度改变图案上增加三条 附加条带7来改变样本2中的强度改变图案9。在加载之前的样本1图案显示于图5b 中。

强度改变图案被置于正方形铝管(6061-T6)的两个样本--样本1和样本3--上，用 于设置沿管子的预选位置，以使塑性变形集中。每个管子具有7.62cmx7.62cm(3”x3”) 的截面，壁厚度为3.175mm(0.125”)。样本在测试之前被涂覆以斑点图案，以便于 进行变形测量。

通过使用伺服液压加载框架而对样本1和3施加压缩负荷。样本的末端适配于定 制的固定装置的机制凹槽中，用来约束样本在末端的横向运动。加载框架的十字头以 恒定的速率前进，直至达到1.5cm的总的轴向变形。样本3的负荷位移记录在图3中 用实线显示。

参照图3，直到样本3峰值负荷的响应与样本1和2相同，表明弹性响应不受图 案9设置的影响。点C之后的卸载记录类似于样本1和2的记录，但显示出使样本3 继续变形所需的负荷稍微低于样本1和2所需的负荷。

图6a和6b分别示出了测试后的样本3和1。就在某些区域向里和在其它区域向 外鼓胀或皱褶而言，样本1和2的变形形状显示不同的图案。通过改变由FSP施加的 图案，样本3的变形或鼓胀发生的位置低于样本1的变形。

样本1和2示出，根据部件的几何形状和负荷的特性，通过使用FSP局部改变机 械特性的方法可以把变形引到部件的指定区域内，并且变形对于以相同的方式处理的 其他部件能够是可重现或可重复的。而且，通过修改图案，例如在将实例1与实例2 相比较时，改变由FSP施加的图案能够引导变形模式，并且如果对部件的弹性负荷有 影响的话，这种影响也是很小的。

因此，通过设置至少由相对于部件基材的加强或减弱的区域组成的强度改变FSP 图案，本发明实施例的方法控制结构部件内的塑性区域的物理位置。借助于在部件上 设置强度改变FSP图案，本发明实施例的方法还控制变形的模式，具体而言，控制部 件的变形形状。对部件强度的控制与其由于设置强度改变FSP图案而造成的结构硬度 无关。另外，通过在部件的一部分上设置强度改变FSP图案，本发明实施例的方法允 许用户增大或减小一个区域相对于另一个区域的相对强度。

相应地，应当理解，这里描述的本发明的实施例仅用于示意性地说明本发明的原 理。这里提及的说明性实施例的细节并不非限制权利要求的范围，这些权利要求本身 陈述的那些特征才是本发明的必要特征。