压痕残余应力及其影响消除的研究
发布时间：2021-09-06 01:41
为满足工业生产安全性的需求,压入试验法测试材料力学性能受到越来越多的关注,该方法无需取样,可进行现场检测,具有传统方法无可比拟的优势。但是该方法并不是严格意义的无损检测方法,压入试验产生的残余凹坑带来了应力集中,附加的残余应力更是加剧了应力集中程度。在静载荷下,延性材料在破坏前的塑性变形中会发生应力的重分布,压痕对结构的静强度一般没有影响,但是对抗疲劳、耐腐蚀性能的影响不可忽视,特别是对于像汽轮机、燃气轮机、烟气轮机、离心压缩机等高速旋转机械的叶轮和叶片,其材料的表面损伤会对叶轮和叶片的性能等带来严重的副作用,因此,深入研究压痕残余应力,探明其对材料后续服役性能的影响,并提出消除其影响的方法具有重要意义。残余凹坑的尺寸在微米级别,但是以现在的残余应力检测技术只能精细至毫米级别,无法用来测试压痕的残余应力,因此本文作者主要采用有限元方法进行研究,以可用的试验手段验证有限元模拟结果的可靠性,具体如下:以两种压力容器用钢（SA508与S30408）及两种叶轮用钢（FV520B-S与KMN-S）为研究对象,通过单轴拉伸试验获取了材料性能,采用有限元软件ABAQUS模拟了球压头压入试验,卸载后得...
【文章来源】：山东大学山东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：88 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１－１?ＤＩＣ原理示意图＿??５９
第１章绪论??位置是：离表面Ｏ．ＬＤ（Ｚ）为压头直径）、距离压入中心０．４ｔ／（Ｊ为压痕直径）。王??尚［３３］利用有限元反求的思想，提出压头与试样间的摩擦系数应为０．２。最终，２０１８??年，张泰瑞［３４］利用摩擦系数仪直接测量了碳化钨压头与试样间的摩擦系数，将其??选定为０．２，这与之前有限元反求得到的摩擦系数一致。??二维计算占用资源较少，网格密度可尽量提升，使计算结果更为精确。通常??情况下，如图１－２所示，需要对试样进行分区，压头正下方的网格需要加密，远??离压头的区域可适当稀疏，中间采用适当的网格过渡，压头正下方的网格密度应??设置为Ｏ．ＯＯｌｍｍｔＷ。对于网格无关性的验证，如图１＿３所示，通常采用提取压头??正下方节点的载荷－位移曲线与试验载荷－位移曲线对比的方式［３３］。２００５年??Ｆｅｎｇ［７６］，２００７年Ｆｅｎｇ和Ｂｒｕｃｅ［７７］曾针对Ｉｎ７８３，使用莫尔干涉仪分析了球压痕??凹坑的残余变形，他们的研究主要为球压头压入法测定合金钢的屈服强度提供一??种方法，同时也说明采用光学方法来研究残余凹坑的塑性变形具有一定的优势。??图１－２二维有限元模拟网格划分??６００??????Ｉｎｄｅｎｔａｔｉｏｎ?ｔｅｓｔ?＾???ＦＥＭ＾ｍ＾０．００５?ｍｍ??５００???ＦＥＭ＾ｎ＝０．００４ｍｍ????ＦＥＭｊｎ－０．００２ｍｍ??＇?ＦＥＭ＾ｒ－Ｏ．ＯＯＩｍｍ??．?．?／ｗｉ??０．００?０．０２?０．０４?０．０６?０．０８?０．１０??＾?ｍｍ??图１－３网格无关性验证〖３３』??针对压痕残余应力的有限元模拟，最早可追溯到１９７１年，Ｈａｒｄｙ等［７８］
山东大学硕士学位论文??Ｃｕ－Ｃ核容器用钢球压痕的塑性变形，结果发现最大残余拉应力约为７００ＭＰａ，位??于压痕周围，约为。２０１３年，Ｃｈａｔｔｅｉｊｅｅ等人［７９］采用有限元二维轴对称模型模拟??了锆铌合金压入过程，来研究压头载荷卸载后的残余应力分布，发现最大残余拉??应力一般集中在堆积的材料附近，约为６０８ＭＰａ，如图１－４所示；最大残余压应??力分布在残余凹坑中心处，并且对模拟结果进行了试验验证，此外，Ｃｈａｔｔｅｒｊｅｅ还??采用有限元模拟了压痕过程中各个因素对于结果的影响，如压头直径、试样厚度??等。??Ｐｅａｋ?ｔｅｒｔｓｉｉｅ?ｒｅｓｉｄｕａｌ??ｔａｎｇｅｎｂａ！?ｓｔｒｅｓｓ?（ＳＯＳ?ＭＰａ）??＿??■■■■■Ｉ??，＊ｉ?＇?＇ｈＥ｜?ｈ．：－－，??＊?．?ｉ?．?、，?．．．??图１－４卸载后压痕残余拉应力??１．４．２三维有限元模拟??压入试验的三维有限元模拟很少，２０１７年，苏成功等［９］对压痕残余应力进行??了初步的研究，采用ＡＢＡＱＵＳ有限元分析软件，指出了压痕的局部性，即最大??残余拉应力的影响范围很小，压痕残余应力的影响范围大约在半径１．５ｍｍ左右??的半球区域内。但是存在诸多缺陷：由于时间与设备的限制，并没有得到最终较??为精确的结果；如图１－５所示，最大残余拉应力集中在网格节点，应力值过大，??最大压应力并不应该出现在表面；网格无关性验证未通过，解未收敛；结果发现??不同材料残余应力差异较大，试图找到其原因，但最终没有完成。??８??
【参考文献】：
期刊论文
[1]金属材料残余应力的测定方法[J]. 巴发海,李凯. 理化检验(物理分册). 2017(11)
[2]残余应力检测与消除方法的研究现状及发展[J]. 张铁浩,王洋,方喜风,赵毅,刘雪梅,李亚辉,梁鹏. 精密成形工程. 2017(05)
[3]基于DIC方法的残余应力快速测量系统[J]. 宋秋,李晓星,杨岩峰. 实验力学. 2017(04)
[4]压痕对不锈钢材料表面残余应力的影响[J]. 苏成功,刘燕,王威强,王玉花. 山东大学学报(工学版). 2017(01)
[5]连续球压痕法评价钢的塑性[J]. 关凯书,邹镔,伍声宝. 机械工程材料. 2016(09)
[6]用连续球压痕法评价钢断裂韧度[J]. 邹镔,魏中坤,关凯书. 材料科学与工程学报. 2016(04)
[7]氨水槽泄漏原因分析和改进措施[J]. 范益,张万灵,陈来仁. 南钢科技与管理. 2016(02)
[8]获取材料应力应变关系的锥形压入新方法[J]. 刘晓坤,蔡力勋,陈辉. 中国测试. 2016(04)
[9]核电SA508-3钢研究进展[J]. 张文广,李茂林,郭德朋,焦殿辉,张跃. 热加工工艺. 2014(16)
[10]获取材料本构关系和硬度的压入法研究[J]. 姚博,蔡力勋,包陈. 中国测试. 2014(02)
博士论文
[1]延性金属材料准静态力学性能的球压头压入测算方法研究[D]. 张泰瑞.山东大学 2018
[2]超声滚压对Ti-6Al-4V合金高低周疲劳性能影响研究[D]. 毛淼东.华东理工大学 2018
[3]离心压缩机叶轮材料FV520B超高周疲劳行为与机理研究[D]. 张明.山东大学 2015
[4]基于能量法的压痕硬度和残余应力测试原理、方法和实验研究[D]. 金宏平.华中科技大学 2012
[5]数字散斑相关方法及其在力学测量中的应用[D]. 高建新.清华大学 1989
硕士论文
[1]连续球压头压入试验测算压力容器钢断裂韧度方法研究[D]. 王尚.山东大学 2018
[2]自动球压头压入试验仪小型化和测试精度影响因素研究[D]. 杨炎.山东大学 2017
[3]自动球压头压入试验法测算核容器钢断裂韧度的研究[D]. 张国新.山东大学 2017
[4]氧化锆陶瓷三维裂纹扩展和压痕实验的有限元模拟研究[D]. 刘念.华中科技大学 2016
[5]不锈钢性能的自动球压痕试验测算研究[D]. 苏成功.山东大学 2015
[6]镁合金表面激光剥蚀微造型及其微纳米压痕有限元模拟[D]. 骞耕.大连理工大学 2014
[7]自动球压痕试验测定结构钢及其应变时效后力学性能的研究[D]. 汤杰.山东大学 2013
[8]Q345R在高应力和腐蚀环境协同作用下的损伤评估[D]. 贾文鹏.山东大学 2012
[9]应力集中、尺寸和表面对金属疲劳强度影响的研究[D]. 唐文秋.东北大学 2008
[10]有限元方法模拟压痕实验研究残余应力对金属玻璃硬度的影响[D]. 葛锜.浙江大学 2008
本文编号：3386481
【文章来源】：山东大学山东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：88 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１－１?ＤＩＣ原理示意图＿??５９
第１章绪论??位置是：离表面Ｏ．ＬＤ（Ｚ）为压头直径）、距离压入中心０．４ｔ／（Ｊ为压痕直径）。王??尚［３３］利用有限元反求的思想，提出压头与试样间的摩擦系数应为０．２。最终，２０１８??年，张泰瑞［３４］利用摩擦系数仪直接测量了碳化钨压头与试样间的摩擦系数，将其??选定为０．２，这与之前有限元反求得到的摩擦系数一致。??二维计算占用资源较少，网格密度可尽量提升，使计算结果更为精确。通常??情况下，如图１－２所示，需要对试样进行分区，压头正下方的网格需要加密，远??离压头的区域可适当稀疏，中间采用适当的网格过渡，压头正下方的网格密度应??设置为Ｏ．ＯＯｌｍｍｔＷ。对于网格无关性的验证，如图１＿３所示，通常采用提取压头??正下方节点的载荷－位移曲线与试验载荷－位移曲线对比的方式［３３］。２００５年??Ｆｅｎｇ［７６］，２００７年Ｆｅｎｇ和Ｂｒｕｃｅ［７７］曾针对Ｉｎ７８３，使用莫尔干涉仪分析了球压痕??凹坑的残余变形，他们的研究主要为球压头压入法测定合金钢的屈服强度提供一??种方法，同时也说明采用光学方法来研究残余凹坑的塑性变形具有一定的优势。??图１－２二维有限元模拟网格划分??６００??????Ｉｎｄｅｎｔａｔｉｏｎ?ｔｅｓｔ?＾???ＦＥＭ＾ｍ＾０．００５?ｍｍ??５００???ＦＥＭ＾ｎ＝０．００４ｍｍ????ＦＥＭｊｎ－０．００２ｍｍ??＇?ＦＥＭ＾ｒ－Ｏ．ＯＯＩｍｍ??．?．?／ｗｉ??０．００?０．０２?０．０４?０．０６?０．０８?０．１０??＾?ｍｍ??图１－３网格无关性验证〖３３』??针对压痕残余应力的有限元模拟，最早可追溯到１９７１年，Ｈａｒｄｙ等［７８］
山东大学硕士学位论文??Ｃｕ－Ｃ核容器用钢球压痕的塑性变形，结果发现最大残余拉应力约为７００ＭＰａ，位??于压痕周围，约为。２０１３年，Ｃｈａｔｔｅｉｊｅｅ等人［７９］采用有限元二维轴对称模型模拟??了锆铌合金压入过程，来研究压头载荷卸载后的残余应力分布，发现最大残余拉??应力一般集中在堆积的材料附近，约为６０８ＭＰａ，如图１－４所示；最大残余压应??力分布在残余凹坑中心处，并且对模拟结果进行了试验验证，此外，Ｃｈａｔｔｅｒｊｅｅ还??采用有限元模拟了压痕过程中各个因素对于结果的影响，如压头直径、试样厚度??等。??Ｐｅａｋ?ｔｅｒｔｓｉｉｅ?ｒｅｓｉｄｕａｌ??ｔａｎｇｅｎｂａ！?ｓｔｒｅｓｓ?（ＳＯＳ?ＭＰａ）??＿??■■■■■Ｉ??，＊ｉ?＇?＇ｈＥ｜?ｈ．：－－，??＊?．?ｉ?．?、，?．．．??图１－４卸载后压痕残余拉应力??１．４．２三维有限元模拟??压入试验的三维有限元模拟很少，２０１７年，苏成功等［９］对压痕残余应力进行??了初步的研究，采用ＡＢＡＱＵＳ有限元分析软件，指出了压痕的局部性，即最大??残余拉应力的影响范围很小，压痕残余应力的影响范围大约在半径１．５ｍｍ左右??的半球区域内。但是存在诸多缺陷：由于时间与设备的限制，并没有得到最终较??为精确的结果；如图１－５所示，最大残余拉应力集中在网格节点，应力值过大，??最大压应力并不应该出现在表面；网格无关性验证未通过，解未收敛；结果发现??不同材料残余应力差异较大，试图找到其原因，但最终没有完成。??８??
【参考文献】：
期刊论文
[1]金属材料残余应力的测定方法[J]. 巴发海,李凯. 理化检验(物理分册). 2017(11)
[2]残余应力检测与消除方法的研究现状及发展[J]. 张铁浩,王洋,方喜风,赵毅,刘雪梅,李亚辉,梁鹏. 精密成形工程. 2017(05)
[3]基于DIC方法的残余应力快速测量系统[J]. 宋秋,李晓星,杨岩峰. 实验力学. 2017(04)
[4]压痕对不锈钢材料表面残余应力的影响[J]. 苏成功,刘燕,王威强,王玉花. 山东大学学报(工学版). 2017(01)
[5]连续球压痕法评价钢的塑性[J]. 关凯书,邹镔,伍声宝. 机械工程材料. 2016(09)
[6]用连续球压痕法评价钢断裂韧度[J]. 邹镔,魏中坤,关凯书. 材料科学与工程学报. 2016(04)
[7]氨水槽泄漏原因分析和改进措施[J]. 范益,张万灵,陈来仁. 南钢科技与管理. 2016(02)
[8]获取材料应力应变关系的锥形压入新方法[J]. 刘晓坤,蔡力勋,陈辉. 中国测试. 2016(04)
[9]核电SA508-3钢研究进展[J]. 张文广,李茂林,郭德朋,焦殿辉,张跃. 热加工工艺. 2014(16)
[10]获取材料本构关系和硬度的压入法研究[J]. 姚博,蔡力勋,包陈. 中国测试. 2014(02)
博士论文
[1]延性金属材料准静态力学性能的球压头压入测算方法研究[D]. 张泰瑞.山东大学 2018
[2]超声滚压对Ti-6Al-4V合金高低周疲劳性能影响研究[D]. 毛淼东.华东理工大学 2018
[3]离心压缩机叶轮材料FV520B超高周疲劳行为与机理研究[D]. 张明.山东大学 2015
[4]基于能量法的压痕硬度和残余应力测试原理、方法和实验研究[D]. 金宏平.华中科技大学 2012
[5]数字散斑相关方法及其在力学测量中的应用[D]. 高建新.清华大学 1989
硕士论文
[1]连续球压头压入试验测算压力容器钢断裂韧度方法研究[D]. 王尚.山东大学 2018
[2]自动球压头压入试验仪小型化和测试精度影响因素研究[D]. 杨炎.山东大学 2017
[3]自动球压头压入试验法测算核容器钢断裂韧度的研究[D]. 张国新.山东大学 2017
[4]氧化锆陶瓷三维裂纹扩展和压痕实验的有限元模拟研究[D]. 刘念.华中科技大学 2016
[5]不锈钢性能的自动球压痕试验测算研究[D]. 苏成功.山东大学 2015
[6]镁合金表面激光剥蚀微造型及其微纳米压痕有限元模拟[D]. 骞耕.大连理工大学 2014
[7]自动球压痕试验测定结构钢及其应变时效后力学性能的研究[D]. 汤杰.山东大学 2013
[8]Q345R在高应力和腐蚀环境协同作用下的损伤评估[D]. 贾文鹏.山东大学 2012
[9]应力集中、尺寸和表面对金属疲劳强度影响的研究[D]. 唐文秋.东北大学 2008
[10]有限元方法模拟压痕实验研究残余应力对金属玻璃硬度的影响[D]. 葛锜.浙江大学 2008
本文编号：3386481
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