喷丸强化对Ti6Al4V半椭圆表面裂纹J积分和裂纹扩展速率的影响

发布时间：2021-03-18 12:56

　　采用修正的J积分计算方法,考虑残余应力、残余应变和残余应变能,定量计算和分析喷丸强化对半椭圆表面裂纹前沿J积分参数的影响规律。对喷丸强化工艺进行有限元建模仿真,通过改变约束条件生成疲劳裂纹并施加远场载荷,计算J积分和裂纹扩展速率。考虑不同深度的半椭圆表面裂纹和不同丸粒速率对断裂参量的影响。结果表明:丸粒速率一定时,与未喷丸相比喷丸后J积分值的降幅随裂纹深度的增加而减小,喷丸强化有益于抑制疲劳浅裂纹的扩展。当裂纹深度为0.3mm时,裂纹最深点的J积分值由4.25N/mm降低到2.99N/mm,降幅约30.1%。裂纹深度一定时,J积分值随丸粒速率的增大而降低,提高丸粒速率对抑制裂纹扩展更有益。 

【文章来源】：材料工程. 2019,47(01)北大核心

【文章页数】：8 页

【部分图文】：

图１喷丸有限元模型网格划分（ａ）与裂纹面网格细化（ｂ）Ｆｉｇ．１ＦＥＭｍｏｄｅｌｏｆｓｈｏｔｐｅｅｎｉｎｇ（ａ）ａｎｄｍｅｓｈｒｅｆｉｎｅｍｅｎｔｏｆｃｒａｃｋｆａｃｅ（ｂ）

，对相同的半椭圆表面裂纹和远场载荷，采用式（１）计算未经喷丸强化处理的裂纹前沿Ｊ积分值。图１喷丸有限元模型网格划分（ａ）与裂纹面网格细化（ｂ）Ｆｉｇ．１ＦＥＭｍｏｄｅｌｏｆｓｈｏｔｐｅｅｎｉｎｇ（ａ）ａｎｄｍｅｓｈｒｅｆｉｎｅｍｅｎｔｏｆｃｒａｃｋｆａｃｅ（ｂ）３结果与分析３．１喷丸并引入裂纹后的应力应变状态变化以喷丸、卸载并引入０．５ｍｍ深裂纹的计算为例，得到裂纹面上的残余应力、残余应变和残余弹性应变能密度等参量，如图２所示。喷丸、卸载并引入裂纹后，距表面０．２５ｍｍ的范围内为垂直于裂纹面的残余压应力σｚｚ，超过０．２５ｍｍ为残余拉应力，但在裂尖表现出较大的奇异性（图２（ａ）），表层产生了约０．２ｍｍ深的塑性变形层，即加工硬化层（图２（ｂ）），弹性应变能密度影响层深约为０．２２ｍｍ（图２（ｃ））。由式（３）可知，喷丸产生材料状态（残余应力、残余应变和残余弹性应变能）变化将影响裂纹前沿断裂参数。图２喷丸并引入０．５ｍｍ深裂纹后裂纹面上各参量云图（ａ）垂直于裂纹面的残余应力σｚｚ；（ｂ）等效塑性应变；（ｃ）弹性应变能密度Ｆｉｇ．２Ｃｏｎｔｏｕｒｍａｐｓｏｆｔｈｒｅｅｐａｒａｍｅｔｅｒｓａｆｔｅｒｓｈｏｔｐｅｅｎｉｎｇａｎｄｇｅｎｅｒａｔｉｎｇ０．５ｍｍｄｅｅｐｃｒａｃｋ（ａ）ｒｅｓｉｄｕａｌｓｔｒｅｓｓσｚｚｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒｔｏｔｈｅｃｒａｃｋｓｕｒｆａｃｅ；（ｂ）ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔｐｌａｓｔｉｃｓｔｒａ

材料工程２０１９年１月图３裂纹最深点的等效塑性应变Ｆｉｇ．３Ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔｐｌａｓｔｉｃｓｔｒａｉｎａｔｔｈｅｄｅｅｐｅｓｔｐｏｉｎｔｏｆｔｈｅｃｒａｃｋ不同深度（０．３，０．５，０．８，１．０ｍｍ）的裂纹，第５环与第７环的Ｊ积分最大值分别相差为２．３％，３．５％，３．５％，２．９％，表明由式（３）计算的Ｊ积分值的路径相关性很小，这种误差主要源于有限元数值计算的误差。３．３喷丸强化对不同深度裂纹的作用３．３．１喷丸强化对Ｊ积分值的影响图５是未喷丸和喷丸强化（丸粒初速度３０ｍ／ｓ）后不同深度的裂纹前沿Ｊ积分计算结果。裂纹较浅时，Ｊ积分最大值位于裂纹最深点处，喷丸件的Ｊ积分值分布曲线低于未喷丸件。裂纹深度为０．３ｍｍ时（图５（ａ）），图４喷丸强化后不同深度的Ｊ积分沿裂纹前沿的分布（ａ）ａ＝０．３ｍｍ；（ｂ）ａ＝０．５ｍｍ；（ｃ）ａ＝０．８ｍｍ；（ｄ）ａ＝１．０ｍｍＦｉｇ．４ＤｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｔｈｅＪ－ｉｎｔｅｇｒａｌａｌｏｎｇｔｈｅｃｒａｃｋｆｒｏｎｔｏｆｔｈｅｄｉｆｆｅｒｅｎｔｄｅｐｔｈｓａｆｔｅｒｓｈｏｔｐｅｅｎｉｎｇ（ａ）ａ＝０．３ｍｍ；（ｂ）ａ＝０．５ｍｍ；（ｃ）ａ＝０．８ｍｍ；（ｄ）ａ＝１．０ｍｍ裂纹最深点的Ｊ积分值由４．２５Ｎ／ｍｍ降低到２．９９Ｎ／ｍｍ，降幅约３０．１％。裂纹深度为０．５ｍｍ时（图５（ｂ）），降幅约９．１５％。裂纹深度为０．８ｍｍ时（图５（ｃ）），裂纹最深点的Ｊ积分

【参考文献】：
期刊论文
[1]喷丸残余应力对裂纹闭合效应影响的数值仿真[J]. 吕鹤婷,王建明,刘兴睿.  中国表面工程. 2016(02)
[2]40CrNi2Si2MoVA钢喷丸强化层微观结构[J]. 刘天琦,李春志,盛伟,王强.  航空材料学报. 2016(02)
[3]喷丸强化对2XXX铝合金疲劳寿命的影响[J]. 周松,谢里阳,回丽,张啸尘,许良.  材料工程. 2014(12)
[4]喷丸强化过程及冲击效应的数值模拟[J]. 张洪伟,张以都,吴琼.  金属学报. 2010(01)



本文编号：3088361