钛合金喷丸强化残余应力场X射线法测试精确度与表征

发布时间：2020-04-30 01:03

【摘要】：喷丸是一种提高材料疲劳寿命的表面强化技术,其通过向零件表面喷射高速流动的弹丸,在零件表层形成残余应力场,从而提高零件的疲劳寿命,被广泛应用于航空,铁路焊接,轴承,齿轮,涂层,钢材热处理等领域。表面残余应力的测定是喷丸表面强化技术中的关键环节之一。精确度直接影响喷丸工艺参数的制定和喷丸强化件的服役可靠性。目前,使用最多的残余应力测试方法就是X射线衍射法。因此,X射线衍射法测试残余应力的精确度成为行业内研究人员关心的焦点。测量精确度包括测量准确度和测量不确定度,本文采用Proto公司设计的高速X射线衍射残余应力分析仪测试TC4钛合金喷丸表面残余应力,分析应力测试的准确度,利用卷积合成法推导了一种全新的应力测量不确定度计算方法并分析应力测试的不确定度,同时对喷丸零件表面残余应力场进行了表征和应力均匀性分析。TC4钛合金的X射线弹性常数标定实验表明,含氧量0.18%的TC4钛合金α相{213}晶面族的弹性常数1/2S2213比系统设定值大4.65%,使用标定后的测量残余应力,测量准确度提高约5%。另外,1/2S2213对喷丸处理造成的塑性变形、组织变化并不敏感,但受微量元素氧的含量影响很大,经实验标定,含氧量0.13%、0.18%、0.23%的TC4钛合金1/2S2213分别为 12.7881× 10-6MPa-1、12.4409× 10-6MPa-1 12.1552× 10-6MPa-1 随氧含量增大,1/2S2213减小。利用卷积合成法计算残余应力测量不确定度,可以有效规避不确定度分量难以计算的困扰,仅需要了解测量值的变化区间即可。例如,测试次数为5时,测量不确定度U(95%)=0.47a,对应的置信区间[m-0.47a,m+0.47a](m为测量值的算术平均值,a为测量区间半宽度)。实验表明,测量不确定度与工件表面状况息息相关,喷丸强度越大,材料表面损伤越大,粗糙度增加,测量不确定度随之增加。TC4钛合金喷丸表面残余应力场的表征实验表明,湿喷丸过程中,弹丸并没有全部均匀撞击喷丸件表面各个部位,因此引入了不均匀的残余应力场。喷丸件表面残余应力呈现由中心到边缘递减分布状态,且喷丸覆盖率越低,应力分布不均匀的状态越明显。随着喷丸覆盖率的增加,喷丸件表面中心与边缘残余应力差逐渐缩小,应力分布的均匀性得到改善。而喷丸件中心区域的应力值随着喷丸覆盖率的增加出现由高至低,而后再升高,并不断循环往复的现象。这是因为喷丸强化过程中随着位错产生、增殖、湮灭,残余应力产生、增大、释放并反复循环。
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG668

【参考文献】