孔挤压强化技术研究进展

概述了直接、间接和复合孔挤压强化的研究现状,从残余应力与微观组织的角度总结了孔挤压强化的抗疲劳强化机理,基于孔结构的疲劳寿命和断口形貌详细分析了孔挤压强化的疲劳性能。研究结果表明,孔挤压强化的孔结构孔壁形成残余压应力,孔结构受到外加交变载荷时孔壁残余压应力能够抵消部分外加交变载荷产生的拉应力,降低了受载孔结构孔壁的应力峰值和平均应力;孔挤压强化的孔结构孔壁发生剧烈的塑性变形,孔壁微观组织发生细化,形成位错胞状结构,能够抑制晶粒的位错滑移,延缓了疲劳裂纹萌生,增大了疲劳裂纹萌生的门槛值,降低了疲劳裂纹扩展速率;在残余应力和微观组织的共同作用下,提高了孔挤压强化孔结构的疲劳寿命。最后,展望了孔挤压强化的发展趋势和研究问题。

基于数值模拟的孔构件挤压强化疲劳寿命预测

为研究飞机机身7050铝合金孔构件挤压强化后的疲劳增益,采用数值模拟与试验研究相结合的方法,对孔构件的挤压强化过程、疲劳加载过程、疲劳裂纹萌生和裂纹扩展过程进行研究。通过数值模拟探究了孔构件在不同状态下危险截面的应力分布和对应的疲劳行为,分析了残余应力场对疲劳性能的影响,探讨了残余应力与疲劳裂纹萌生和裂纹扩展的内在联系,建立了孔构件挤压强化疲劳寿命数值预测模型。结果表明:孔挤压强化引入的残余压应力可以减小孔构件在受载时孔壁最大拉应力,改变疲劳裂纹的萌生位置,抑制疲劳裂纹萌生和裂纹扩展,提高7050铝合金孔构件疲劳寿命近2倍,疲劳寿命数值预测模型误差在12%以内。

面向Ti-6Al-4V合金的开缝芯棒孔挤压强化次数研究

为了探究挤压强化次数对开缝芯棒性能的影响,实现孔挤压强化工具的可重复使用,分析了开缝芯棒孔挤压强化工艺,开展了开缝芯棒20次孔挤压强化Ti-6Al-4V合金试验,研究了挤压强化次数对开缝芯棒孔挤压强化效果的影响。结果表明,开缝芯棒20次孔挤压强化过程中,挤压力、工作环直径和孔结构孔径波动平缓,未发生显著变化;开缝芯棒的挤压部位存在划痕,工作环直径与孔结构孔径的变化在加工误差范围内;开缝芯棒的划痕对Ti-6Al-4V合金孔结构挤压强化效果影响不大,开缝芯棒孔挤压强化能够实现孔挤压强化工具的重复使用。

超声振动辅助孔挤压强化装置研制及试验

为探究超声振动辅助孔挤压强化工艺,设计超声振动辅助孔挤压强化装置。利用ANSYS软件对设计的装置进行模态分析,测量装置的谐振频率及位移,开展孔结构件挤压强化试验。研究结果表明:模态分析中装置的谐振频率为25 542.5 Hz,测试装置的谐振频率为26 918 Hz,相对误差为5.39%;测量装置中挤压芯棒工作环部位的位移,其最大值为3.38μm;与无超声挤压强化相比,超声挤压强化后孔壁表面粗糙度降低程度大,装配孔直径增加范围为6~17μm。

孔挤压强化对7050铝合金孔结构疲劳性能的影响

为了探究不同相对挤压量的开缝芯棒孔挤压强化对7050铝合金疲劳性能的影响,建立了开缝芯棒孔挤压强化有限元模型,开展了开缝芯棒孔挤压强化试验,分析了孔挤压强化试样孔壁残余应力和受载试样孔壁应力分布规律,探究了相对挤压量、残余应力和疲劳寿命之间的关系,揭示了开缝芯棒孔挤压强化工艺的抗疲劳增益效果。结果表明:试样孔壁挤入端,相对挤压量为2%、3%和4%,孔壁的最大残余压应力为246.8、338.6和367.7MPa,相对挤压量与孔壁最大残余压应力呈正相关;受载试样孔壁挤入端,相对挤压量为2%、3%和4%,孔壁最大应力为451.2、368.7和321.6MPa,相对挤压量与孔壁最大应力呈负相关;相对挤压量为2%、3%和4%的试样中值疲劳寿命是相对挤压量为0%的1.17、1.52和1.71倍。

芯棒直接孔挤压强化7050铝合金疲劳性能研究

为了探究实心芯棒、开缝芯棒2种芯棒直接孔挤压强化方法对7050铝合金疲劳性能的影响,建立了芯棒直接孔挤压强化7050铝合金三维有限元仿真模型,开展了芯棒直接孔挤压强化试验,对比分析了未挤压强化、芯棒直接孔挤压强化试样的孔壁应力、疲劳性能。结果表明:芯棒直接孔挤压强化试样铰削加工前后,孔壁最大残余压应力差值小于20 MPa;芯棒直接孔挤压强化后试样孔壁形成的残余压应力能够抵消部分受载过程中产生的拉应力;实心芯棒孔挤压强化试样的中值疲劳寿命是未挤压强化试样的1.46倍,开缝芯棒孔挤压强化试样的中值疲劳寿命是未挤压强化试样的1.52倍;芯棒直接孔挤压强化减小了疲劳源数量,缩小了疲劳裂纹扩展区的疲劳辉纹间距,提高了试样的疲劳寿命。