热-机械载荷下表面喷丸2A12铝合金残余应力松弛特性

对2A12铝合金试样引入表面喷丸强化工艺,并进行热-机械载荷下的应力松弛试验,讨论喷丸残余应力场的演化特性。结果表明,喷丸强化可在试件表层引入合理的残余应力场,但在外部热-机械载荷下极易发生应力松弛。在短时、低周大应力加载条件下,循环应力将引起表面残余应力值与应力峰值大幅松弛;而在中、长时热-机械载荷下,热载荷成为恶化残余应力场的主要因素,各向同性材料沿各个方向发生趋势与程度一致的热应力松弛现象,机械载荷仅主要在其作用方向上加剧应力松弛。另外,纵、横向残余应力场演化趋势相同、程度不一,受热载荷或机械应力载荷的影响机制不同。     

交变载荷对铝合金板表面残余应力的影响

采用铣削法在7075铝合金退火板表面引入初始残余应力,研究了交变载荷加载状态下表面残余应力的演变规律,并基于包辛格效应和塑性变形理论讨论了交变载荷加载状态时残余应力松弛机理.结果表明:交变载荷对铝合金板表面残余应力松弛的影响主要取决于加载应力与残余应力的矢量叠加;交变载荷对残余应力松弛主要在第一个作用周期;当加载周期增大到一定程度后,交变载荷比单向载荷对残余应力的松弛效果更好.     

表面处理技术改善结构表面残余应力的研究进展

表面形变强化技术是通过一定的技术手段诱导表层组织产生高幅值残余压缩应力,细化表层晶粒,从而抑制裂纹从表面萌生,提高抵抗疲劳破坏的能力。介绍了喷丸、超声冲击、激光喷丸和激光温喷丸等表面形变强化技术的原理。讨论了强化处理后表层组织残余应力的变化以及高温条件下残余应力的释放行为和疲劳寿命的增益问题,以期能为材料表面处理提供新思路。     

喷丸对H13钢单边带缺口试样疲劳裂纹扩展行为的影响

喷丸工艺通过改变试件的表面形貌、微观组织及残余应力等表面完整性可以影响裂纹的萌生和扩展;对于存在缺陷的试件,喷丸的作用机制和影响结果有所不同。采用白光干涉仪、SEM、XRD及显微硬度计等对单边带缺口的H13钢薄板试样喷丸前后的表面完整性进行了测定。并借助原位SEM开展了系列裂纹扩展试验,分析了喷丸对试样疲劳寿命、裂纹扩展速率以及疲劳断口特征的影响。研究结果表明,虽然残余压应力诱发裂纹闭合,但由于喷丸后表面粗糙度的大幅提高增强了缺口效应,表面加工硬化使得韧性有所降低,以及残余应力在加载过程中发生松弛等因素,喷丸后单边带缺口试样的裂纹萌生过程缩短,疲劳寿命降低,且裂纹扩展速率的变化较小。喷丸前后疲劳断口形貌均为准解理特征,喷丸后断口近表面处的撕裂棱特征消失。     

7075铝合金喷砂表面残余应力在疲劳过程中的松弛规律

对7075高强铝合金进行喷砂强化,采用X射线衍射法研究循环载荷作用下疲劳过程中喷砂表面残余应力的松弛规律。结果表明,残余应力的松弛主要发生在疲劳过程开始的100个周期内,其中大幅度松弛发生在初始10个周期内,1000次循环后残余应力基本稳定。不同应力水平下的松弛行为表明,循环应力达到疲劳极限以上时,残余应力松弛的幅度和速率都较大。经过150℃×2h保温处理的试样其表面残余应力显著降低,且疲劳过程中应力松弛的幅度和速率都降低。表面喷丸或喷砂强化试样大多在表面强化层下的拉应力区域产生裂纹,疲劳累积损伤理论也表明疲劳损伤是可以累加的,故表面存在一定数值的残余压应力并不能说明试样没有发生疲劳损伤,工程上不能只依据表面残余应力来判定材料的疲劳性能。     

疲劳载荷对17CrNiMo6喷丸强化层残余应力与组织的影响

高强度渗碳钢17CrNiMo6常用喷丸强化工艺来改善抗疲劳性能,但疲劳载荷会使喷丸强化层的残余应力与组织发生改变,削弱了强化效果。采用X射线衍射方法研究了其残余应力、半高宽和残余奥氏体随疲劳载荷周次的变化规律,同时研究了喷丸前后表面形貌、硬度和组织的变化。结果表明,喷丸与二次喷丸强化层残余应力场在疲劳载荷前100周次内发生了应力松弛,松弛幅度分别为50%与33%,之后基本保持稳定。半高宽随载荷周次的增加分别下降了5%与7%,而残余奥氏体含量变化不大。此外,喷丸处理增加了材料表层残余压应力,细化了晶粒尺寸,使疲劳寿命提高了11%;二次喷丸可进一步增加材料表层残余压应力,细化晶粒尺寸并改善表面形貌使材料疲劳寿命提高了23%。因此在评估喷丸工艺强化效果,预测喷丸处理后零部件的疲劳寿命时,宜采用松弛后的残余应力作为衡量参数。     

钛合金薄壁构件激光冲击残余应力稳定性研究

针对航空发动机压气机薄叶片激光冲击后残余压应力的严重松弛问题,对TC11钛合金薄壁试件激光冲击后进行轴向拉-拉疲劳实验和真空保温处理,通过X射线衍射测试获得疲劳载荷和热应力载荷作用下的应力松弛规律,并分析松弛机理。实验结果表明:疲劳载荷(最大应力σ_(max)=500 MPa,应力比R=0.1)作用下表面残余压应力松弛了53%,前5次循环占了95%,且表面松弛程度和严重松弛深度都随疲劳载荷增大而增大,其松弛机理是局部材料发生塑性变形而引起的应力场重新分布。在200、300和400℃下恒定保温120 min后,表面残余压应力分别松弛了3%、29%和48%,而在200℃+400℃和300℃+400℃交替保温120 min后分别松弛了18%和58%,松弛均发生在前60 min内,且严重松弛深度随温度呈现相同变化规律,其松弛机理是热应力激活位错、晶界等进行运动和消亡而导致塑性回复。由于松弛机理不同,疲劳载荷与热应力载荷复合作用下应力松弛呈现出叠加效应。     

微粒子喷丸高速动车组车轴钢疲劳性能的影响因素研究

目的 研究微粒子喷丸EA4T车轴钢表面残余应力、组织结构强化层以及表面粗糙度对疲劳性能的影响.方法 使用250℃保温2 h和550℃保温4 h的回火工艺对微粒子喷丸试样进行处理,研究微粒子喷丸试样表面残余应力和组织结构强化层对疲劳强度的影响.分析喷丸及回火处理试样表面的粗糙度、三维形貌、深度方向残余应力分布、X射线衍射峰、半高宽以及表面硬度,并进行旋转弯曲疲劳实验,确定疲劳性能.结果 微粒子喷丸增加了试样的表面粗糙度,在表面引入了深度为80～100μm的残余压应力和加工硬化.微粒子喷丸将材料的疲劳极限由365 MPa提高至470 MPa.回火处理使得喷丸试样表面微观组织发生了回复,其硬度降低,残余应力松弛.250℃保温2 h和550℃保温4 h的回火处理使得喷丸试样的疲劳强度分别降低至450 MPa和430 MPa.结论 微粒子喷丸在EA4T车轴钢试样表面引入的残余应力和组织结构强化层对疲劳强度的提高分别约为16％和23.8％,而表面粗糙度则降低了疲劳强度,降幅约为10％.     

超声冲击强化焊接接头及金属表面强化研究进展

工程机械零件及焊接结构在服役过程中常常因为表面发生磨损、腐蚀和疲劳断裂而失效,而失效形式与其表面加工质量、应力分布状态和表面性能等因素密切相关。超声冲击是一种利用超声波振动驱动冲击针高速撞击工件表面,使工件表面产生塑性变形和残余压应力的表面强化技术,具有效率高、加工精度高以及加工范围广等优势。概述了超声冲击处理技术在焊接接头处理、金属材料表面强化、激光熔覆–超声冲击复合处理以及超声冲击–化学处理复合强化等方面的研究现状及进展。在此基础上,重点综述了超声冲击处理Al、Mg合金及合金钢焊接接头残余应力、力学性能及抗疲劳性能的变化,归纳了传统金属材料以及新兴高熵合金表面超声冲击处理后的组织、微观亚结构及性能变化,总结了超声冲击对激光改性层组织性能的影响规律以及超声冲击预处理对离子渗氮/渗硫层形成及其性能的影响等。超声冲击处理明显降低了焊接接头的残余拉应力,有效提高其疲劳强度,使金属和涂层表面产生纳米化组织,显著提升材料的表面硬度、耐磨性能、耐蚀性能以及耐高温性能,从而延长工程构件的服役寿命。显然,超声冲击处理技术与表面涂层技术相结合,为工程零部件表面强化提供了新的思路。对于表面涂层,超声冲击...     

表面完整性研究现状及发展趋势

疲劳失效是金属结构失效的重要形式之一,提高零件疲劳性能可以有效增加结构使用寿命。对于低周和高周疲劳,绝大多数疲劳裂纹萌生于零件表面。因此,表面完整性对金属材料疲劳行为有重要影响。简述了表面完整性的内涵,指出表面完整性不仅包括如粗糙度、波纹度、表面裂纹等的表面形貌特征,也包含如加工之后零件表面的残余应力、塑性变形、组织形貌等物理化学变化特征。总结了表面完整性工艺的研究现状,说明机械铣削、电火花线切割、磨削、喷丸强化、光饰等加工工艺对表面完整性的影响。综述了表面完整性表征模型的建立,指出各表面完整性特征参数对表面完整性影响的比重。分析了国内表面完整性发展趋势,指出表面完整性工艺研究与表面完整性表征模型相互促进的作用,提出表面完整性工艺与表面完整性表征模型的交叉研究。最后,对提高表面完整性及建立影响表面完整性的参数模型提出了建议。     

金属表层梯度微结构对力学性能和裂纹扩展的影响

表层梯度结构广泛应用于工程材料,经表面强化技术处理后,零件表层结构呈梯度分布,可以改善零件的服役能力.综述了金属表层梯度微结构对力学性能和裂纹扩展的影响,从微观结构和力学性能的角度,结合非均匀材料中裂纹的扩展行为,考虑了微结构和力学性能之间的相互影响规律,分析了梯度结构中影响裂纹扩展的因素.经表面强化后,材料表面晶粒细化,晶粒尺寸沿纵深方向呈现梯度分布,改变裂纹萌生位置,同时对裂纹扩展起到阻碍,使零件疲劳寿命延长.梯度结构中金相组织由表层单一组织到芯部多相组织的转变,引起表层硬度和残余压应力向纵深方向逐渐减小,表面压应力可以减弱外力的作用,从而影响疲劳寿命.然而,梯度结构中微观组织和力学性能互相关联,像晶粒和位错能改变残余应力的分布,也会对裂纹扩展路径产生影响,如何定量表征他们的影响还有待进一步研究.     

Fatigue Properties Improvement of Low-Carbon Alloy Axle Steel by Induction Hardening and Shot Peening: A Prospective Comparison

Fatigue fracture is the major threat to the railway axle, which can be avoided or delayed by surface strengthening. In this study, a low-carbon alloy axle steel with two states was treated by surface induction hardening and shot peening, respectively, to reveal the mechanism of fatigue property improvement by microstructure characterization, microhardness measurement, residual stress analysis, roughness measurement, and rotary bending fatigue tests. The results indicate that both quenching and tempering treatment can effectively improve the fatigue properties of the modified axle steel. In addition, induction hardening can create an ideal hardened layer on the sample surface by phase transformation from the microstructure of ferrite and pearlite to martensite. By comparison, shot peening can modify the microstructure in surface layer by surface severe plastic deformation introducing a large number of dislocation and even cause grain refinement. Both induction hardening and shot peening create compressive residual stress into the surface layer of axle steel sample, which can effectively reduce the stress level applied to the metal surface during the rotary bending fatigue tests. On the whole, the contribution of induction hardening to the fatigue life of axle steel sample is better than that of the shot peening, and induction hardening shows obvious advantages in improving the fatigue life of axle steel.     

激光冲击强化对焊缝组织性能影响的研究进展

激光冲击强化(LSP)是一种典型的非弹丸撞击式表面强化技术,可有效提高金属材料的抗疲劳能力、抗腐蚀能力、金属耐磨性能和使用寿命,具有应变率高、效率高、强化效果好等优点。焊缝质量直接影响了焊接件的合格率,而焊缝强化一直是一个比较难的挑战。首先,介绍了激光冲击强化的加工原理,总结了激光冲击强化的影响参数及条件,包括激光功率密度、约束层和吸收层、激光冲击次数、光斑搭接率以及激光脉宽。控制强化工艺参数可以使焊缝显微硬度提升50%、残余压应力提升65%以上,大幅度提升抗拉强度,降低疲劳裂纹扩展。其次,综述了国内外研究人员运用激光冲击强化技术对不同材料焊缝强化的研究与应用,重点论述了激光冲击强化对焊缝力学性能和显微组织的显著强化效果,与未强化试样对比,强化后试样的各项性能明显提升。其中针对力学性能,详细分析了显微硬度、残余应力和疲劳裂纹扩展的变化情况,结合残余应力的理论研究、仿真分析、试验论证以及显微组织变化情况,认为激光冲击强化导致马氏体组织发生了碎化,提高了硬度,产生了残余压应力,引起了晶粒细化,进而有效控制了疲劳裂纹扩展,阻止了裂纹产生,提升了疲劳寿命。通过激光冲击强化不同工艺参数的协同作用,可以获得较高的残余压应力和硬度,引起动态再结晶、晶粒细化等微观组织演变以及位错运动,使焊缝力学性能和显微组织产生相互影响。分析认为,激光冲击强化技术是焊缝强化的有效焊接后处理工艺。最后,展望了激光冲击强化技术在焊缝强化领域中的应用前景。     

Thermal fatigue behavior of medium carbon steel with striated non-smooth surface

Imitating the body surface morphology of some biological systems, the medium carbon steel specimens with biomimetic surface were manufactured by laser processing technique. The key feature of this biomimetic surface is to arrange a various spacing of striations to create a non-smooth working surface. The thermal fatigue behavior of specimens with different surfaces, i.e. the specimen with 2-mm-spacing striations, 4-mm-spacing striations and smooth surface, was investigated and compared. It was found that the biomimetic surface has a beneficial effect on improving the thermal fatigue behavior of medium carbon steel, and that the specimen with 2-mm-spacing striations had the highest resistance to thermal fatigue. Compared with the base material, the striation zone on the non-smooth surface was mainly characterized by the refinement of grains and the alteration of microstructure.

Based on such strengthening mechanism as well as the emergence of huge compressive residual stress in the striation zone, the pile–nail effect, which is proposed initially and can be explained by crack retardation mechanism together with stress counteraction mechanism, is the main reason for enhancing the thermal fatigue resistance of medium carbon steel with biomimetic surface.     

车削和铣削加工表面塑性变形对TC4试件疲劳性能的影响

目的 探究车削和铣削加工表面塑性变形层中纤维组织方向对钛合金TC4试件抗疲劳性能的影响规律和机理,完善表面完整性研究体系,为实际航空结构件的抗疲劳制造提供参考。方法 基于钛合金TC4进行车削和铣削加工的表面完整性试验和试件疲劳性能测试试验,通过合理地选用加工参数以控制试件的表面完整性指标,从而更加直观地分析塑性变形层中纤维组织方向与试件疲劳寿命之间的关系。结果 实验中车削疲劳试件的表面粗糙度、表面显微硬度和表面残余应力3个指标均优于铣削试件,两者的表面形貌也十分类似,但后者的抗疲劳性能达到前者的12~48倍,塑性变形层中纤维组织方向的不同是铣削试件抗疲劳性能远大于车削试件的主要因素。结论 不同加工方式形成的加工表面机制不同,表层纤维组织的塑性变形方向和变形程度也存在较大差异。车削疲劳试件的纤维组织沿试件的周向,铣削疲劳试件的纤维组织沿试件的轴向,在承受轴向的交变载荷时,沿着轴向的纤维组织可以抑制疲劳裂纹的萌生和扩展,大幅提升钛合金TC4试件的抗疲劳性能。     

超声滚压轴承套圈表面强化的研究综述

首先介绍了超声滚压的强化机理,通过位错的湮灭与产生将晶粒细化至纳米级,晶粒细化导致位错塞积、缠结,使晶间滑移阻力变大,增加材料变形抗力。进而综述了超声滚压工艺参数、表面完整性(表面形貌、残余应力及显微结构)对轴承套圈耐磨损性能与抗疲劳性能的影响规律。最后,针对单一超声强化的不足,指出了超声滚压复合强化技术的发展方向。声电耦合可增加表层材料塑性流动,愈合微裂纹;超声滚压细晶作用可增加晶界数量,为离子提供了扩散通道,增加了离子注入浓度与深度;超声振动引起的空化效应和力学效应使熔覆层元素更均匀,降低熔覆层孔隙率,复合强化对超声滚压强化效果有明显的提升作用,可进一步增强轴承套圈强化效果。     

铁路车轴表面强化技术研究与应用

车轴是列车转向架的核心部件之一,引发车轴失效的表面损伤形式主要包括腐蚀、微动磨损和外物致损。表面强化可改善车轴表面完整性,进而抑制裂纹萌生和延缓裂纹扩展,以提高车轴疲劳强度并延长剩余寿命。车轴表面强化技术主要包括滚压、喷丸及表面感应淬火。首先,概述了国内外普速和高速列车车轴表面强化技术的基本原理:滚压和喷丸等物理强化方式使车轴表面塑性变形硬化并引入残余压应力,表面感应淬火通过马氏体相变提高车轴表面强度并引入残余压应力。然后,重点综述了上述3种表面强化技术的研究进展及其在当前车轴制造过程中的应用,其中,深度滚压是车轴表面强化的主要方式,表面感应淬火主要应用于部分高铁车轴上,而喷丸在车轴上的应用尚少。最后,从经济性和安全性的角度对比了车轴表面强化技术的优劣:喷丸强化深度有限,不足以提高车轴剩余寿命;中碳钢车轴表面淬火方案在淬硬层深度和残余应力大小方面均优于合金钢车轴滚压方案。基于损伤容限设计的评价为未来车轴表面强化技术的研究和应用提供了借鉴。     

表面强化后梯度结构与残余应力对疲劳寿命的影响

表面强化技术使零件表层结构呈梯度分布并产生较高的残余压应力,可有效提高零件的使用寿命。近年来,表层梯度结构与残余应力对零件疲劳寿命的影响机理成为研究热点。综述了梯度结构与残余应力及其松弛对材料疲劳性能影响的新进展。材料经表面强化后,其表层晶粒明显细化,尺寸沿深度方向呈梯度分布,促使裂纹源转移至硬化层内部。残余应力与外力叠加,降低了零件的实际受力,从而影响零件的疲劳寿命,然而目前尚不能从机理层面对其进行揭示。对于残余应力松弛,目前的主要问题在于松弛模型的建立尚未完善。此外,在裂纹萌生阶段,梯度结构与残余应力均对零件疲劳强度有重要的影响,二者中哪个因素在疲劳过程中起到主导作用还未可知。