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。

7050-T7451铝合金的超声振动辅助孔挤压强化

为了探究超声振动辅助孔挤压强化工艺对7050铝合金疲劳性能的影响,开展了有无超声振动辅助孔挤压强化试验,对比分析了超声振动对挤压力、孔径、金属堆积、表面粗糙度与表面形貌、残余应力和疲劳寿命的影响。结果表明,超声振动辅助孔挤压强化后,试样孔壁表面粗糙度降低了67.86%,其孔壁表面粗糙度降低程度大于孔挤压强化;超声振动辅助孔挤压强化试样孔壁挤入端和挤出端的轴向挤压力小于孔挤压强化,减小了孔壁材料的轴向流动,增加了孔壁材料的径向塑性变形;超声振动辅助孔挤压强化试样和孔挤压强化试样的平均疲劳寿命分别是未挤压强化试样的1.5和1.2倍,超声振动辅助孔挤压强化试样的平均疲劳条纹宽度小于孔挤压强化试样和未挤压强化试样。

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。

孔挤压强化残余应力场的三维有限元模拟和实验研究

运用有限元软件ANSYS建立了孔挤压强化残余应力场的三维有限元模型,模拟计算了不同厚度7050-T7451铝合金构件孔挤压强化的三维残余应力场分布。模拟结果表明,孔边残余应力沿厚度方向呈梯度分布,入口残余压应力最小,是易于产生裂纹的部位;入口残余压应力随构件厚度增加而增大,达到最大值后,随厚度增加而减小并逐渐趋于稳定值。同时,使用X射线衍射应力分析技术测量了实际试样的残余应力,结果表明,入口表面的残余压应力明显小于出口表面,并且实验测量值与有限元模拟值吻合较好。

孔挤压强化对超高强7055-T7751厚板组织性能的影响

采用挤压棒直接冷挤压的方法,对比分析了超高强7055-T7751铝合金厚板带孔试样孔挤压前后的疲劳寿命;通过透射电镜观察、扫描电镜观察以及X射线应力分析等方法,研究了7055-T7751厚板带孔试样的疲劳断口形貌特征、微观组织变化以及孔壁表层的残余应力场。结果表明,采用3%~5%的挤压量对7055-T7751厚板进行孔挤压强化可取得较好的疲劳强化效果,试件的疲劳寿命提高了33倍以上;孔挤压后的强化层深度约为7mm,最大残余应力出现在距孔边约0.5mm处,应力值为-554MPa。强化层内形成的位错胞状结构和残余压应力可有效延缓疲劳裂纹的扩展速率,从而提高试件的疲劳寿命。

孔挤压强化对2124铝合金疲劳寿命及微观组织的影响

采用疲劳试验、透射电镜、扫描电镜及X射线衍射仪等方法研究了2124-T851铝合金厚板不同参数孔挤压强化后疲劳寿命与显微组织的变化。结果表明:孔挤压强化后试样的疲劳寿命先随挤压量的增大而升高,随后又迅速降低,挤压量为0.4 mm时疲劳寿命达到峰值,较未强化增加12.66倍;组织观察结果表明孔挤压强化后,在孔壁强化层内形成了位错胞状结构和残余压应力,并且随挤压量增大先迅速增加然后趋于平缓,强化层的形成可以有效延缓疲劳裂纹的扩展速率;同时,适当的孔挤压强化可改善表面粗糙度,降低裂纹萌生几率,从而提高材料的疲劳寿命。

TC21钛合金孔挤压强化模拟

采用弹塑性有限元法对TC21钛合金耳片衬套挤压和芯棒挤压过程进行仿真模拟,对比分析经两种工艺挤压后孔周边的残余应力分布规律;结合未经孔挤压强化和经两种不同孔挤压工艺强化的耳片疲劳实验结果,对两种不同孔挤压工艺的强化效果进行了分析。结果表明,挤压后孔边残余应力沿径向、周向和厚度方向的分布都呈现一定的变化规律,且芯棒挤压后的残余应力分布比衬套挤压更均匀,两种挤压方式都能起到强化效果,但芯棒挤压的强化效果更好。

芯棒规格对孔挤压强化效果的影响

为进一步优化孔挤压工艺效果,利用有限元软件Abaqus6.12对300M钢孔挤压工艺的三维模型进行了数值模拟,重点研究芯棒规格对孔挤压强化效果的影响。模拟结果表明芯棒形状与尺寸对孔挤压效果有明显影响:过盈部位位于芯棒后通过部分时,孔壁获得一定深度的残余压应力场且轴向塑性形变量最小,强化效果最优;过盈部位位于芯棒后通过部分,过盈部位长度不同的各工艺中,过盈部位长度最大时获得最优强化效果;适当增大芯棒出口直径,可提高强化效果。过盈部位位置、过盈部位长度、入/出口锥度、芯棒出口直径等表征芯棒规格的参数均会对孔挤压强化效果造成一定影响。

短波长特征X射线衍射法无损测定孔挤压强化A100钢内部径向残余应力分布

工件表层残余压应力场直接影响其疲劳性能。为研究孔挤压强化试样的内部残余应力状态,利用自主研发的短波长X射线衍射仪,无损地测定了2.4mm厚A100钢孔挤压件板厚中心层的内部径向残余应力场的分布。结果表明:孔挤压强化使工件内部引入了残余压应力,最大压应力位于距孔表面4.6mm处,为-302MPa;残余压应力场深度达30mm左右。

孔挤压强化和工艺参数研究

孔挤压强化可以显著提高机械连接的疲劳强度。采用有限元方法建立了孔挤压强化轴对称模型,得到了孔壁残余应力分布状态,建立了孔壁残余应力和孔径、板件厚度、挤压强化过盈量等工艺参数之间的关系曲线。结果表明,周向残余应力和孔径、挤压强化过盈量之间为对数关系,和板件厚度之间为线性关系;径向残余应力和孔径、挤压强化过盈量之间为对数关系,和板厚(以2.5mm为分界线)之间为线性关系,为孔挤压强化效果的定量化认识奠定了基础。

孔挤压强化对23Co14Ni12Cr3MoE钢疲劳性能的影响

采用孔挤压强化工艺使23Co14Ni12Cr3MoE高强度钢表面层产生残余压应力,用X射线应力分析仪测定了孔挤压强化残余应力场,对比了带孔试样机械加工与挤压强化状态下的疲劳S-N曲线,用SEM观察分析了疲劳断口特征。结果表明,23Co14Ni12Cr3MoE高强度钢经孔挤压强化后,1×106循环周次下的条件疲劳极限提高了26%;孔挤压试样的裂纹特征为1/2椭圆状的表面裂纹,而机械加工试样的裂纹特征是1/4椭圆状的角裂纹。

孔挤压强化有限元分析及疲劳寿命估算

目前孔挤压强化过程仿真方面的文献主要是对于残余应力的分析,疲劳寿命主要由试验测量得到,对疲劳寿命的估算较少。通过三维非线性有限元方法,对7075铝合金芯棒和衬套挤压强化过程进行了仿真。分析了不同强化方法强化后的残余应力分布。在残余应力分析的基础上,估算了循环载荷下不强化、芯棒挤压和衬套挤压强化后元件的疲劳寿命;并与相应的试验数据进行了对比。结果表明,疲劳寿命估算结果与试验结果基本一致,估算方法可行。

300M钢孔挤压强化疲劳断口扫描电镜观察与分析

本文利用扫描电镜仔细观察了３００Ｍ钢孔挤压强化后疲劳断口的形貌；研究了疲劳裂纹的起始与扩展特征；探讨了孔挤压强化明显推迟疲劳裂纹起始、降低疲劳裂纹扩展速率的机理。

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。

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。

30CrMnSiNi2A超高强度钢孔挤压强化残余应力场的模拟

利用有限元软件ANSYS建立了30CrMnSiNi2A超高强度钢孔挤压强化残余应力场的三维有限元模型,分别模拟分析了不同孔径、过盈量、厚度和孔边距比下30CrMnSiNi2A超高强度钢构件孔挤压强化的三维残余应力场分布.模拟结果表明,残余应力沿厚度在中层和出口处随着孔径的增大而增大,且残余拉应力的增加幅度也大;随着过盈量的增大,残余压应力增大,但达到一定程度后过盈量的增量所引起的有利残余压应力的增量减小;随着厚度的增加,残余压应力在入口表面的孔周处先减小后增大;孔边距的减小,对残余压应力影响较小,而对残余拉应力的影响很大.

300M超高强度钢孔挤压强化残余应力场的三维模拟分析

利用ANSYS有限元软件模拟计算了300M超高强度钢构件的孔挤压强化残余应力,建立了材料不同厚度构件的孔挤压残余应力场三维有限元模型,分析研究了构件厚度对残余应力场的影响,确定了最大残余压应力出现的位置,比较了孔挤压入口、中部和出口处残余应力场的变化情况。结果表明,残余压应力沿孔壁厚度方向的分布是不均匀的,入口处残余压应力最小,出口处次之,而中部的残余压应力最大。

孔挤压强化对2A97铝锂合金耳片疲劳性能的影响

对2A97-T84铝锂合金不同尺寸的直耳片进行了孔挤压强化,研究孔挤压前后耳片的疲劳性能。结果表明:孔挤压强化工艺能有效提高2A97-T84耳片的疲劳性能,且小尺寸耳片的强化效果优于大尺寸耳片,其小、大尺寸耳片疲劳寿命提高幅度最大可达80.6%和62.5%;当峰值应力相同时,孔挤压强化后小尺寸耳片的疲劳寿命最高为大尺寸耳片的7.6倍。对比断口形貌可知,孔挤压强化后耳片的疲劳裂纹源位置、数量等均发生了变化:其位置由耳孔内表面转移至耳孔内壁近表面处且数量明显减少,疲劳辉纹宽度变窄,这说明经孔挤压强化后,孔内壁表层金属发生了强烈的塑性变形,耳孔周围产生了残余压应力,组织发生了位错塞积和缠结,形成了位错胞状结构,这些均降低了孔壁边缘的应力集中系数,减缓了疲劳裂纹源的萌生,使得疲劳裂纹的扩展速率降低,从而提高了耳片的疲劳性能。