孔冷挤压强化工艺参数分析

孔的冷挤压强化可以显著提高机械连接的疲劳强度.为了深入了解孔冷挤压后孔壁残余应力分布状态,采用有限元方法建立了孔挤压轴对称模型.基于最小二乘原理,采用模拟实验法,建立了残余应力和挤压率、挤压孔直径、板件厚度等工艺参数之间的关系式.结果表明,不同工艺参数下,孔壁残余应力的分布曲线形状相似,通过模拟实验法建立的关系式简洁明了,满足工程的精度要求,有利于提高对孔冷挤压残余应力的定量认识,为孔冷挤压后的疲劳强度分析奠定了基础.     

TC4板孔冷挤压强化残余应力分布与疲劳寿命

开展了不同挤压量下TC4钛合金板孔冷挤压强化有限元仿真研究,得到了挤压强化后最小截面的切向残余应力分布规律,分析了挤压量对受载试样孔边应力分布的影响,探讨了挤压量、残余应力和疲劳增益三者之间的内在关系。采用开缝衬套冷挤压强化工艺对TC4带孔板件进行冷挤压和疲劳验证试验。研究结果表明,挤压强化后的孔边切向压缩残余应力可以有效降低孔周应力集中程度,优化受拉试样最小截面应力分布,改变裂纹源的位置并延长疲劳裂纹的萌生和扩展寿命,有效提高试样疲劳寿命。综合仿真和疲劳试验得到TC4板孔最优挤压量为4%。     

孔挤压强化工艺对7A12铝合金组织及疲劳性能影响的研究

研究了孔挤压强化工艺对7A12铝合金锻件的疲劳增益效果,并通过透射电镜、扫描电镜及X 射线衍射仪等设备,研究了疲劳断口的形貌特征、微观组织变化以及孔壁表层的残余应力场分布。研究结果表明,挤压过盈量为5%时,孔挤压疲劳寿命增益效果最好,是未强化的13.5倍;孔挤压后,孔壁强化层内形成了深度＆gt;9 mm 的残余压应力层,强化层内形成的位错胞状结构可以有效延缓疲劳裂纹的扩展速率,从而提高材料的疲劳寿命。     

芯棒规格对孔挤压强化效果的影响

为进一步优化孔挤压工艺效果,利用有限元软件Abaqus6.12对300M钢孔挤压工艺的三维模型进行了数值模拟,重点研究芯棒规格对孔挤压强化效果的影响。模拟结果表明芯棒形状与尺寸对孔挤压效果有明显影响:过盈部位位于芯棒后通过部分时,孔壁获得一定深度的残余压应力场且轴向塑性形变量最小,强化效果最优;过盈部位位于芯棒后通过部分,过盈部位长度不同的各工艺中,过盈部位长度最大时获得最优强化效果;适当增大芯棒出口直径,可提高强化效果。过盈部位位置、过盈部位长度、入/出口锥度、芯棒出口直径等表征芯棒规格的参数均会对孔挤压强化效果造成一定影响。     

TA15钛合金连接孔滚柱挤压强化参数对残余应力及疲劳寿命的影响

滚柱挤压强化是重要的表面处理方法,能够在材料内部形成稳定的残余应力,进而有效提高结构的疲劳性能.针对TA15钛合金开孔结构,滚柱挤压强化参数对残余应力及疲劳寿命的影响规律有待进一步研究.基于Johnson-Cook方程建立了TA15滚柱挤压过程仿真模型,揭示了不同挤压量和摩擦因数下,残余应力的产生、扩展及影响范围,探讨了挤压后孔壁材料在周向及轴向的变形规律;开展了TA15开孔结构疲劳寿命试验,对比研究了挤压强化后疲劳寿命的增益效果.     

衬套冷挤压强化孔疲劳寿命研究

采用仿真分析方法对衬套挤压强化过程应力分布情况进行研究,对比芯棒拉力及强化后孔径实际值,分析仿真模型的准确性。基于强化后模型的应力情况对试验板进行名义应力法的疲劳寿命预测。对试验板进行疲劳试验得到两个孔位的疲劳寿命值,对断口位置进行分析。结果表明：衬套挤压强化后在孔周产生很高的周向残余应力区,可以有效缓解孔壁应力集中现象,提高孔的疲劳寿命。挤压强化后,孔的挤入端较挤出端更容易产生疲劳裂纹。疲劳寿命预测结果与试验结果有较好的一致性,能够为衬套结构设计进行尺寸合理性验证及疲劳寿命评估。     

孔挤压强化对7A85铝合金锻件组织和疲劳性能的影响

采用孔挤压方法对含孔的7A85铝合金锻件进行了强化,对比分析了孔挤压前后试样的疲劳寿命;通过扫描电镜、透射电镜以及X射线应力仪等研究了挤压前后试样的疲劳断口形貌、显微组织变化以及孔表层的残余应力场。结果表明:采用5.3%的挤压过盈量可达到最佳强化效果,其疲劳寿命是挤压强化前的11倍;孔挤压强化后,试样在强化层处产生位错缠结及残余压应力,可有效延缓疲劳裂纹的扩展,从而提高试样的疲劳寿命,压应力层深度约为4.7 mm,最大残余压应力出现在距孔边约1 mm处,其值为-319 MPa。     

表面微观形貌特征对二次挤压强化孔疲劳性能影响

建立了孔的二次挤压强化疲劳仿真模型,探究孔壁表面微观形貌特征对强化孔疲劳性能的影响。采用Abaqus有限元软件及MSC. Fatigue疲劳分析软件,对孔的二次挤压强化过程进行了模拟并计算了强化孔的疲劳寿命。选取孔壁微元,用半椭圆微观缺口代表零件表面微观轮廓,通过有效应力集中系数K_f修正材料S-N曲线,探究了表面微观轮廓对二次挤压强化孔疲劳性能的影响。结果表明,二次挤压强化后孔壁产生残余压应力层,试验件疲劳寿命得到提高;孔壁微观缺口数目增加可以有效缓解应力集中系数,应力集中系数K_t与深宽比b/a及间宽比d/(2a)成正相关;二次挤压强化可以降低孔壁表面粗糙度21%～49%,能有效缓解缺口应力集中现象,提高孔的疲劳性能。     

高干涉量压合衬套强化铝合金孔结构的疲劳性能

分别采用高干涉量压合衬套单侧挤压强化和两侧挤压强化两种工艺对7050铝合金孔结构进行强化,研究孔结构的残余应力和疲劳性能,并采用梯形累积法由疲劳断口定量反推出疲劳裂纹萌生寿命和扩展寿命。结果表明:孔结构中形成深度达12mm的残余压应力场,单侧挤压强化试样挤入端的残余应力显著低于挤出端的,两侧挤压强化试样挤入端和挤出端的残余应力相当;单侧挤压强化试样和两侧挤压强化试样的平均疲劳寿命比未挤压强化试样的分别提高了770%和1 500%,高干涉量压合衬套强化技术具有显著的疲劳强化效果,且双侧挤压强化的效果更好;高干涉量压合衬套强化技术可同时提高孔结构的疲劳裂纹扩展寿命和萌生寿命,且萌生寿命提高的幅度更大。     

钛合金耳片结构复合强化工艺参数匹配研究

为了提高航空耳片结构疲劳性能,建立TC4钛合金耳片孔开缝衬套冷挤压与干涉配合复合强化有限元模型,分析了复合强化工艺参数对孔周塑性变形及结构疲劳寿命的影响。设计耳片孔周残余应力测试试验,验证了模型的准确性。复合强化工艺参数的研究结果表明:孔壁材料随芯棒的塑性流动使孔壁变形量在厚度方向上分布不均,弹塑性边界随挤压量的增长向耳片外侧转移;交变载荷下应力幅值的最大值始终位于孔壁处,且入口处应力水平最高;针对TC4钛合金耳片结构,3%挤压量与1%干涉量的复合强化工艺参数组合,疲劳寿命增益效果最好。     

Residual stress field of ballised holes

Ballising, involving pushing a slightly over-sized ball made of hard material through a hole, is a kind of cold working process. Applying ballising process to fastener holes produces compressive residual stress on the edge of the holes, and therefore increases the fatigue life of the components or structures. Quantification of the residual stress field is critical to define and precede the ballising process. In this article, the ballised holes are modeled as cold-expanded holes. Elastic-perfectly plastic theory is employed to analyze the holes with cold expansion process. For theoretical simplification, an axially symmetrical thin plate with a cold expanded hole is assumed. The elasticplastic boundaries and residual stress distribution surrounding the cold expanded hole are derived. With the analysis, the residual stress field can be obtained together with actual cold expansion process in which only the diameters of hole before and after cold expansion need to be measured. As it is a non-destructive method, it provides a convenient way to estimate the elastic-plastic boundaries and residual stresses of cold worked holes. The approach is later extended to the case involving two cold-worked holes. A ballised hole is looked upon as a cold expanded hole and therefore is investigated by the approach. Specimens ballised with different interference levels are investigated. The effects of interference levels and specimen size on residual stresses are studied. The overall residual stresses of plates with two ballised holes are obtained by superposing the residual stresses induced on a single ballised hole. The effects of distance between the centers of the two holes with different interference levels on the residual stress field are revealed.     

Three-dimensional finite element analysis of cold expansion of adjacent holes

Three-dimensional elasto-plastic finite element analysis was conducted to evaluate the development and growth of the plastic zone and unloading residual stresses resulting from the cold expansion of two adjacent holes. The contact between the mandrel and the hole was modelled using special contact elements. The work examined the effect of the geometry of two adjacent cold-expanded holes upon the resulting three-dimensional residual stress field. Both simultaneous and sequential expansion of the two holes was considered. It was shown that the compressive residual stress varies across the thickness of the specimen and that two-dimensional finite element models are incapable of accurately predicting the residual stresses resulting from the cold expansion process. It was further shown that sequential expansion reduces dramatically the compressive residual stresses. The validity of the developed finite element model was verified with existing experimental results.     

冷胀提高6005铝合金疲劳寿命的机理

针对冷胀对6005铝合金疲劳裂纹产生和扩展的影响,用单边预切口试样研究了含缺陷结构冷胀后的疲劳寿命,分析了不同情况下新裂纹产生的循环数;并用ANSYS软件进行了数值模拟,确定冷胀产生的残余应力场和塑性区及在不同参数下冷胀度对其的影响.结果表明:孔径和冷胀度对最大残余压应力值影响不大,都在材料屈服强度1～1.1倍的限定范围内,而冷胀度对塑性变形区和残余压应力区大小的影响则非常显著.     

超细粉末硬化水玻璃砂的性能特征研究

采用课题组配置的超细复合粉末作固化剂,研究测试了超细粉末硬化水玻璃砂的性能特征,将它与目前大量采用的酯硬化水玻璃砂在性能上作了比较,并通过SEM对常温下和800℃焙烧后粉末硬化水玻璃砂样以及酯硬化水玻璃砂样的粘结桥微观结构进行了观察。试验结果表明：超细粉末硬化水玻璃砂工艺中,当水玻璃加入量占原砂质量的3%,粉末加入量占水玻璃加入量的25%时,砂样的常温强度比酯硬化水玻璃砂的强度提高约23%,残留强度降低约76%;粉末硬化水玻璃砂对水玻璃的模数敏感度不高,硬化过程中使用高模数水玻璃将显著改善水玻璃砂的溃散性和再生回用性能;粉末硬化水玻璃砂的抗湿性远远优于酯硬化水玻璃砂。     

小孔法测量残余应力时孔边塑性应变的有限元分析及修正

小孔法测量高残余应力时,小孔周围材料接近于屈服状态,由于产生塑性变形而引入塑性附加应变,使得测量结果产生很大的误差。研究了应变释放系数与主应力之间的双轴比、主应力方向与应变花方向夹角以及应力水平之间的关系,通过有限元数值试验的方法对应变释放系数进行标定,使其包含有塑性附加应变的影响,并利用标定后的应变释放系数对焊接残余应力测量结果进行了修正,得到了较好的结果。     

管板孔开槽液压胀接接头性能的三维有限元分析（一）——管板孔开槽时液压胀接接头处的等效应力及残余接触压力的分布

采用三维弹塑性有限元方法对换热器管板孔开槽的液压胀接接头进行分析,研究了管子和管板材料都具有非线性应变硬化性质时,胀接接头处的等效应力和管子—管板之间接触压力与残余接触压力的分布状况,以及它们随胀接压力大小而变化的规律。     

Prediction of fatigue life in cold expanded Al-alloy 2024-T3 plates used in double shear lap joints

To predict fatigue crack initiation and fatigue crack growth lives in cold expanded double shear lap joints a numerical method has been employed. The total estimated fatigue lives were compared with available experimental fatigue test results for plain hole and cold expanded hole specimens of Al 2024-T3 in double shear lap joints. Three-dimensional finite element simulations have been performed in order to obtain the created residual stresses field due to cold expansion and subsequent far field longitudinal loading in the double shear lap joint. The obtained stress and strain distributions from the finite element analyses were employed to predict stress concentration factors to calculate fatigue crack initiation and fatigue crack growth lives using AFGROW computer code. The predicted fatigue lives demonstrate that there is a good agreement between the proposed method and experimental fatigue test results.     

压缩载荷对冷胀孔残余应力的影响

用考虑组合强化、增量理论的有限元法计算了２１２４－Ｔ８５１ 板件开缝衬套冷胀孔的残余应力场及其在压缩载荷作用下的变化情况。结果表明冷胀之后的压载循环将引起冷胀残余应力的衰减。一个足够大的压缩载荷能够使冷胀工艺给疲劳寿命带来的增益完全丧失。文中说明压缩载荷对冷胀的作用可以和超载后半周压载对裂纹的作用相比拟,建议在确定合理胀孔量时应当把它对所承受的载荷谱中压缩载荷的敏感性考虑在内,应当加强有关的疲劳对比试验研究及残余应力场测量研究。     

残余应力应变释放系数的有限元分析

通过建立16Mn残余应力盲孔法有限元分析模型,模拟出孔边应力、应变的变化情况.揭示了残余应力引起的孔边应力、应变变化情况与应变释放系数A、B值之间的关系,并用孔边应力、应变的有限元运算结果计算出A、B值.通过应变计中点应变法、应变计中点应力法和平均应变法三种方法去标定和修正应变释放系数,通过对三种方法的比较表明,三种方法的计算结果与实验结果相符.且计算精度较高.证实了残余应力有限元模拟的准确性和A、B值标定和修正方法的多样性.