残余应力与组织形貌对表面纳米化TC4疲劳性能影响研究
发布时间：2021-06-05 07:14
钛合金因其比强度高,能适应较高温度的工况环境,通常用来制造飞机气压机叶片和结构零件。钛合金在长期恶劣的条件下服役往往会发生疲劳失效,进而造成巨大损失,因此,研究钛合金的疲劳失效机理,提高钛合金的疲劳极限成为近年来研究的热点问题。为提高材料的疲劳极限,出现了多种强化方法,超声喷丸处理是材料表面强化常用的方法之一,它可以实现材料表面纳米化。针对超声喷丸提高疲劳极限可从两方面分析:一是经过超声喷丸处理的材料获得一定深度的应力场,这部分残余压应力有效地抵消了部分外界的拉应力,推迟了材料达到失效的时间;二是材料表层的纳米晶可以有效阻止裂纹萌生,进而提高材料的疲劳极限。同时,基体的粗晶可以保持材料的塑性,实现提高材料疲劳性能的效果。本文采用超声喷丸处理TC4合金,实现表面纳米化,通过350℃低温热处理释放部分残余应力,并保持表层晶粒仍然保持在纳米级。研究四点弯曲疲劳性能的变化规律,研究发现,超声喷丸30min试样疲劳失效形式以单一裂纹源萌生裂纹,超声喷丸30min+350℃热处理60min试样裂纹起裂方式转变为多源萌生,但都从次表层萌生,而原始试样裂纹从表层萌生。在超声喷丸30min试样、超声喷丸...
【文章来源】：西安建筑科技大学陕西省
【文章页数】：76 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
普通喷丸Fig1.1CommonShotPeening
西安建筑科技大学硕士学位论文6(2)超声喷丸/高能喷丸法国SONATS公司和日本ToyoSeiko公司较早开发了超声喷丸技术[27]，超声喷丸（UltrasonicShotPeening,USSP）技术是利用激振器产生的高频声波使弹丸在抽真空的容器内机械振动，弹丸以随机方向撞击工件表面，每一次的撞击都会使工件产生小的塑性变形，积累的变形使表层晶粒产生破碎，甚至达到纳米级如图2(b)受力示意图[28]，设备见图1.2(a)。通常超声喷丸激振器频率大于20kHz，弹丸直径在毫米尺度(0.1-1.8mm)，弹丸材质可根据处理工件的不同选择铸钢丸或陶瓷丸。由于弹丸能量由激振器传递，即会产生较高的速度，一般大于120m/s。超声喷丸，对应的压力值相对较大，受力也较高，其应用一般是在处理方式更为复杂、材料厚度较厚的情况下。在其喷丸强化工作结束之后，无需进行后续的弹丸的收集、清理工作，可以选择多次应用，操作更加的便捷、简单，受到各方面的制约较小，可以进行异形件的强化处理。与超声喷丸相比，高能喷丸(HighEnergyShotPeening,HESP)与其有相似的结构[29]，不同之处在于高能喷丸的弹丸直径更大(10mm左右)，激振器产生的频率较低(30Hz)，原理也是利用激振器使弹丸产生动能，作用于材料表面，产生由表及里各个方向的应力应变，如图1.2(b)。图1.2超声喷丸/高能喷丸(a)设备图(b)应力图Fig1.2USSP/HESP(a)Facility;(b)StressGraph(3)微粒子喷丸微粒子喷丸处理(FineParticalPeening)是近年来兴起的一种新型金属表面处理方法，操作简单，成本低。它的原理图如图1.3，与普通喷丸类似，首先将高压气体进行干燥，给弹丸施加高速动能，通过喷枪喷出，反复冲击工件表面，使材料表面发生塑性变形，晶粒细化，在材料的外表面形成加工硬化层，有效提高
西安建筑科技大学硕士学位论文7材料表面的强度。冲击后再对弹丸进行分拣，重复利用。与普通喷丸的区别是弹丸粒子直径小，在20~200μm范围内，在提高材料强度的同时表面变形更加均匀，保证了材料表面的粗糙度。微粒子喷丸主要从两方面实现了强化[30]：一是微粒子从各个方向撞击材料表面，使晶粒内产生的位错相互缠结，形成位错墙，材料若要再次发生塑性变形即需要更大的应力，强度得以提高。二是微粒子流在材料表面不断撞击，一部分动能会转化为热能，内部能量增加而发热，产生极速发热急速冷却的效果以及诱变引发晶粒细化。图1.3微粒子喷丸简图Fig1.3FineParticalPeeningDiagram(4)激光喷丸激光喷丸(LaserShotPeening)，主要是一种负责强化表面的技术，可以进一步提升金属材料的抗疲劳性能，已经广泛用于发动机的强化。在冲击靶材前首先在靶材表面黏上铝箔或黑胶带作为吸收保护层，然后用有机玻璃覆盖在上边作为约束层，如图1.4。当短脉宽的激光束冲击靶材表面时，表面保护层会在高密度的激光照射束作用下吸收能量，转化为等离子体，同时等离子体膨胀过程中会受到约束层的限制，从而形成较大压力的等离子体冲击波作用在靶材表面，产生塑性变形，并最终残留一定的残余压应力，使其表层显微组织也发生变化[31]。激光喷丸强化的结果更为理想，在表层形成约100微米至200微米深的残余应力场，处理后可以使晶粒尺寸变小，表层组织的位错密度得到提高。激光喷丸强化相比传统的喷丸技术，有效的进一步减少了外来元素对自身的不良影响，而且其光斑的大小在几毫米之间，其强化作用更加的准确、直接[32]。由于工件和靶材不直接接触，激光喷丸后靶材表面光洁，保持了较好的表面完整性。
【参考文献】：
期刊论文
[1]钛合金体育器材的低周疲劳行为研究[J]. 薛海涛,梁乐杰,杜威,杨朔. 塑性工程学报. 2018(06)
[2]喷丸强化对TC17钛合金表面完整性及疲劳寿命的影响[J]. 张少平,谈军,谭靓,姚倡锋. 航空制造技术. 2018(05)
[3]超薄不锈钢基材连续电解抛光工艺的优化[J]. 杨希明,侯章垒. 电镀与涂饰. 2017(13)
[4]激光喷丸对TC17钛合金恒温抗氧化性能的影响[J]. 黄帅,朱颖,郭伟,彭鹏,刁训刚. 激光与光电子学进展. 2017(12)
[5]TC17合金等轴组织和网篮组织的高周疲劳断口[J]. 张赛飞,曾卫东,周大地,高雄雄. 稀有金属材料与工程. 2017(S1)
[6]奥氏体钢四点弯曲疲劳行为的数值模拟与试验[J]. 张慧芳,肖振兴,肖少彬,张泉,吕知清. 钢铁. 2017(04)
[7]测定TC4钛合金β相转变温度的金相法和差示扫描量热法的对比[J]. 陈政龙,侯世忠. 理化检验(物理分册). 2017(03)
[8]退火对表面机械研磨处理工业纯锆显微组织和残余应力的影响[J]. 张聪惠,朱珊珊,王耀勉,宋薇. 金属热处理. 2017(02)
[9]多次激光冲击Ti-6Al-4V钛合金表面纳米化研究[J]. 杨进德,周王凡,杨涛,刘帆帆,任旭东. 激光技术. 2017(05)
[10]电厂热力设备金属防护及监督的实际应用[J]. 刘晨. 山东工业技术. 2016(21)
硕士论文
[1]激光喷丸强化TC4钛合金抗氢脆性能及机理[D]. 王祥.江苏大学 2017
[2]表面纳米化Zr-3合金的残余应力及疲劳性能研究[D]. 于飞.西安建筑科技大学 2014
[3]SMAT纳米钛的制备、结构及其生物相容性研究[D]. 张保华.上海交通大学 2007
[4]Ti6Al4V和工业纯钛表面纳米化与性能研究[D]. 邱诗龙.大连交通大学 2005
[5]工业纯钛表面纳米化及其表层组织热稳定性研究[D]. 张毓隽.大连交通大学 2004
本文编号：3211704
【文章来源】：西安建筑科技大学陕西省
【文章页数】：76 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
普通喷丸Fig1.1CommonShotPeening
西安建筑科技大学硕士学位论文6(2)超声喷丸/高能喷丸法国SONATS公司和日本ToyoSeiko公司较早开发了超声喷丸技术[27]，超声喷丸（UltrasonicShotPeening,USSP）技术是利用激振器产生的高频声波使弹丸在抽真空的容器内机械振动，弹丸以随机方向撞击工件表面，每一次的撞击都会使工件产生小的塑性变形，积累的变形使表层晶粒产生破碎，甚至达到纳米级如图2(b)受力示意图[28]，设备见图1.2(a)。通常超声喷丸激振器频率大于20kHz，弹丸直径在毫米尺度(0.1-1.8mm)，弹丸材质可根据处理工件的不同选择铸钢丸或陶瓷丸。由于弹丸能量由激振器传递，即会产生较高的速度，一般大于120m/s。超声喷丸，对应的压力值相对较大，受力也较高，其应用一般是在处理方式更为复杂、材料厚度较厚的情况下。在其喷丸强化工作结束之后，无需进行后续的弹丸的收集、清理工作，可以选择多次应用，操作更加的便捷、简单，受到各方面的制约较小，可以进行异形件的强化处理。与超声喷丸相比，高能喷丸(HighEnergyShotPeening,HESP)与其有相似的结构[29]，不同之处在于高能喷丸的弹丸直径更大(10mm左右)，激振器产生的频率较低(30Hz)，原理也是利用激振器使弹丸产生动能，作用于材料表面，产生由表及里各个方向的应力应变，如图1.2(b)。图1.2超声喷丸/高能喷丸(a)设备图(b)应力图Fig1.2USSP/HESP(a)Facility;(b)StressGraph(3)微粒子喷丸微粒子喷丸处理(FineParticalPeening)是近年来兴起的一种新型金属表面处理方法，操作简单，成本低。它的原理图如图1.3，与普通喷丸类似，首先将高压气体进行干燥，给弹丸施加高速动能，通过喷枪喷出，反复冲击工件表面，使材料表面发生塑性变形，晶粒细化，在材料的外表面形成加工硬化层，有效提高
西安建筑科技大学硕士学位论文7材料表面的强度。冲击后再对弹丸进行分拣，重复利用。与普通喷丸的区别是弹丸粒子直径小，在20~200μm范围内，在提高材料强度的同时表面变形更加均匀，保证了材料表面的粗糙度。微粒子喷丸主要从两方面实现了强化[30]：一是微粒子从各个方向撞击材料表面，使晶粒内产生的位错相互缠结，形成位错墙，材料若要再次发生塑性变形即需要更大的应力，强度得以提高。二是微粒子流在材料表面不断撞击，一部分动能会转化为热能，内部能量增加而发热，产生极速发热急速冷却的效果以及诱变引发晶粒细化。图1.3微粒子喷丸简图Fig1.3FineParticalPeeningDiagram(4)激光喷丸激光喷丸(LaserShotPeening)，主要是一种负责强化表面的技术，可以进一步提升金属材料的抗疲劳性能，已经广泛用于发动机的强化。在冲击靶材前首先在靶材表面黏上铝箔或黑胶带作为吸收保护层，然后用有机玻璃覆盖在上边作为约束层，如图1.4。当短脉宽的激光束冲击靶材表面时，表面保护层会在高密度的激光照射束作用下吸收能量，转化为等离子体，同时等离子体膨胀过程中会受到约束层的限制，从而形成较大压力的等离子体冲击波作用在靶材表面，产生塑性变形，并最终残留一定的残余压应力，使其表层显微组织也发生变化[31]。激光喷丸强化的结果更为理想，在表层形成约100微米至200微米深的残余应力场，处理后可以使晶粒尺寸变小，表层组织的位错密度得到提高。激光喷丸强化相比传统的喷丸技术，有效的进一步减少了外来元素对自身的不良影响，而且其光斑的大小在几毫米之间，其强化作用更加的准确、直接[32]。由于工件和靶材不直接接触，激光喷丸后靶材表面光洁，保持了较好的表面完整性。
【参考文献】：
期刊论文
[1]钛合金体育器材的低周疲劳行为研究[J]. 薛海涛,梁乐杰,杜威,杨朔. 塑性工程学报. 2018(06)
[2]喷丸强化对TC17钛合金表面完整性及疲劳寿命的影响[J]. 张少平,谈军,谭靓,姚倡锋. 航空制造技术. 2018(05)
[3]超薄不锈钢基材连续电解抛光工艺的优化[J]. 杨希明,侯章垒. 电镀与涂饰. 2017(13)
[4]激光喷丸对TC17钛合金恒温抗氧化性能的影响[J]. 黄帅,朱颖,郭伟,彭鹏,刁训刚. 激光与光电子学进展. 2017(12)
[5]TC17合金等轴组织和网篮组织的高周疲劳断口[J]. 张赛飞,曾卫东,周大地,高雄雄. 稀有金属材料与工程. 2017(S1)
[6]奥氏体钢四点弯曲疲劳行为的数值模拟与试验[J]. 张慧芳,肖振兴,肖少彬,张泉,吕知清. 钢铁. 2017(04)
[7]测定TC4钛合金β相转变温度的金相法和差示扫描量热法的对比[J]. 陈政龙,侯世忠. 理化检验(物理分册). 2017(03)
[8]退火对表面机械研磨处理工业纯锆显微组织和残余应力的影响[J]. 张聪惠,朱珊珊,王耀勉,宋薇. 金属热处理. 2017(02)
[9]多次激光冲击Ti-6Al-4V钛合金表面纳米化研究[J]. 杨进德,周王凡,杨涛,刘帆帆,任旭东. 激光技术. 2017(05)
[10]电厂热力设备金属防护及监督的实际应用[J]. 刘晨. 山东工业技术. 2016(21)
硕士论文
[1]激光喷丸强化TC4钛合金抗氢脆性能及机理[D]. 王祥.江苏大学 2017
[2]表面纳米化Zr-3合金的残余应力及疲劳性能研究[D]. 于飞.西安建筑科技大学 2014
[3]SMAT纳米钛的制备、结构及其生物相容性研究[D]. 张保华.上海交通大学 2007
[4]Ti6Al4V和工业纯钛表面纳米化与性能研究[D]. 邱诗龙.大连交通大学 2005
[5]工业纯钛表面纳米化及其表层组织热稳定性研究[D]. 张毓隽.大连交通大学 2004
本文编号：3211704
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