K417材料激光冲击强化残余应力松弛预测

针对某型发动机涡轮叶片材料K417激光冲击强化后残余应力在高温下松弛的现象,分析了残余应力松弛的机理,并运用灰色理论建立了温度作用下残余应力松弛的灰色预测模型。该模型的计算结果和实验结果吻合良好,精度较高,为激光冲击强化后残余应力松弛的预测提供一种可行的方法。

残余应力松弛和自增强处理压力对在役高压容器的安全影响

为了确定残余应力松弛和自增强处理压力对在役高压容器安全性能的影响,通过分析测试结果获得了残余应力的松弛规律,计算了在工作压力、残余应力作用下的当量等效应力沿壁厚分布情况,模拟计算出了不同的工作压力、自增强处理压力下的安全系数,推导出了最佳自增强处理压力。结果表明所研究的高压聚乙烯反应管在使用10年后,环向应力在近内壁区衰减最快,从-600MPa衰减到-333MPa,衰减率达45%;在弹性区衰减较小,残余应力峰值位置外移,但其峰值大小变化不大。对于自增强处理后的压力容器,在工作压力作用下,随着残余应力的松弛,内壁面当量等效应力增大,当量等效应力在弹塑性交界处最大,应该按此处的当量等效应力计算安全系数。依据示例聚乙烯反应管尺寸,模拟计算出在工作压力分别为180、280、380MPa时,经过自增强处理压力分别为606、677、743MPa的最佳自增强处理后,其安全系数比残余应力全部衰减为0时分别高16%、26%、37%。压力容器工作压力越大,经最佳自增强处理后安全系数增大得越多,但残余应力衰减对其安全影响越大。

在役高压管式反应器残余应力松弛试验研究(英文)

自增强反应器管壁残余应力因交变压力及温度、温差的作用随时间而减小。在操作状态下 ,残余应力的松弛规律及其计算对反应管安全分析是十分重要的。用和反应管相同材料及相同截面尺寸的试件模拟反应管在设计温度、温差作用下 ,以及开停工引起的压力变化的作用下反应管内壁残余应力的松弛。温度和温差引起的管内壁残余应力的松弛率(或剩余率)随时间的变化可用自然对数函数来描述 ,压力变动导致的管内壁残余应力松弛率(或剩余率)随压力循环次数的变化为指数函数。给出了温度、压力循环作用下反应管内壁剩余残余应力计算式。该式计算结果不但和本文试验结果符合很好 ,而且和其他作者报道的实验数据相吻合。预测了一根服务了九年的反应管(4340钢) ,其剩余残余应力误差在10 %以内。因此 ,该方法不但适用于30CrNiMo8材料的反应器也适用于4340钢制的聚乙烯反应器。

7075铝合金残余应力松弛影响因素的实验研究

分别采用淬火和退火态喷砂两种强化工艺引入结构和表层集中残余应力,研究了在循环应力下具有不同残余应力状态的7075铝合金表层残余应力松弛现象,并基于应力松弛机理讨论了两种不同强化工艺下残余应力松弛规律的异同.分析结果表明,加载应力的状态与大小、残余应力的初始分布和冷作是影响两种强化工艺下残余应力松弛异同的主要因素.淬火强化引入的是梯度较小、非均匀分布的结构残余应力,而喷砂强化引入的是梯度大、均匀分布的表层残余应力.由于应力分布梯度与表层冷作程度的不同,在相同的加载条件下,喷砂样较淬火样有更大的应力松弛趋势.

拉-拉疲劳载荷下钛合金湿喷丸的残余应力松弛及再次喷丸工艺

采用湿法喷丸强化工艺(wet shot-peening)对TC4钛合金表面进行处理,研究高、低周的拉-拉疲劳过程中合金残余应力松弛规律,探讨再次喷丸工艺(re-shot-peening,RSP)对疲劳寿命的影响。结果表明:在拉应力载荷状态下,残余压应力依然发生松弛现象。疲劳载荷水平对喷丸TC4钛合金残余压应力场(CRSF)的松弛速率、松弛程度和松弛范围具有重要影响。高周疲劳(HCF)过程中残余应力松弛主要发生在近表层0~30μm,松弛速率较慢。低周疲劳(LCF)过程中残余应力松弛发生在0~80μm,范围更大,速率更快。RSP周期对于TC4钛合金的疲劳寿命也具有较大影响。在25%和50%初始喷丸疲劳寿命进行RSP处理会显著提高疲劳寿命,而在75%初始喷丸疲劳寿命处进行RSP处理对于疲劳寿命基本没有影响。此外,RSP的强化效果与疲劳载荷水平相关,对于高周疲劳寿命提高明显。

喷丸处理EA4T车轴钢疲劳性能和残余应力松弛行为研究

目的研究不同喷丸工艺处理EA4T车轴钢的疲劳性能和破坏行为,并分析表面影响层性能,尤其是表面残余应力对疲劳强度的影响机理。方法采用传统喷丸(CSP)和微粒子喷丸(MSP)工艺分别对EA4T车轴钢进行处理,对不同喷丸处理后的试样进行表面性能分析,然后采用旋转弯曲疲劳试验机进行疲劳试验,获得疲劳S-N曲线和残余应力松弛过程,并通过扫描电镜对发生疲劳失效的断口进行观察。结果与CSP相比,MSP可以引入更高的表面硬度和残余压应力,同时又可以有效地减小表面粗糙度。喷丸可以有效地提高试样的疲劳性能,CSP和MSP分别提升了试样疲劳极限的25%和33%。所有喷丸试样残余应力松弛与循环次数(10≤N≤10^7)之间存在线性关系,这个线性关系可以用经验公式定量描述。在相同加载应力下,CSP试样的残余应力松弛过程比MSP试样更快,当试样在疲劳加载过程中发生残余应力松弛后,剩余的残余压应力高于初始值的80%时,疲劳失效不会发生。所有试样的疲劳裂纹均萌生于表面,喷丸没有改变试样的疲劳断裂机制。结论与CSP相比,MSP可以引入更优的表面影响层,在相同加载应力下有更加缓慢的残余应力松弛过程,从而可以进一步提高试样的疲劳性能。另外,残余压应力、表面完整性是影响疲劳极限提升的主要因素。

交变载荷下铝合金冲击凹坑局部残余应力松弛的数值研究

金属结构表面缺陷处的残余应力对于其疲劳寿命有很大影响。采用数值分析方法模拟了铝合金2A12冲击凹坑缺陷处残余应力的产生和在后继交变应力下的松弛,研究了交变应力最大(最小)值、平均应力、应力比等因素对残余应力松弛的影响。模拟结果发现残余应力松弛主要发生在第一次交变载荷内,并且残余应力随交变载荷最大(最小)值增加呈现指数下降,而凹坑底部残余应力松弛量随交变载荷平均值增加而增大,而凹坑边缘残余应力松弛量随平均值的绝对值增加而增加。

顶板-纵肋焊接残余应力松弛效应研究

文章基于循环弹塑性本构理论,以深中通道跨海大桥钢桥面板结构疲劳试验为例,对顶板-纵肋疲劳细节焊接残余应力进行计算。其计算结果表明,在压-压外荷载循环下,荷载正下方焊根处疲劳细节存在较明显应力松弛现象,该处疲劳细节在松弛前后应力循环特征由拉-拉循环变为拉-压循环,疲劳荷载幅值变小,从而引起疲劳开裂位置的迁移。

纯铜研磨表面残余应力在液动压悬浮抛光中的松弛规律

为了探究液动压悬浮抛光工件表面的应力松弛规律,课题组利用有限元法建立了液动压悬浮抛光过程中单/多颗磨粒连续撞击工件的数值分析模型。在模型中引入了传统研抛加工后的工件表面粗糙度和残余应力参数值,分别探讨了单/多颗磨粒连续撞击情况下抛光转速对机械研磨后铜质工件中残余应力松弛的影响;选取经过传统研抛和传统研抛再液动压悬浮抛光的铜质工件试样,使用X射线衍射仪分别对铜质工件表面进行残余应力测试。测试结果验证了液动压悬浮抛光过程中单/多颗磨粒连续撞击工件的数值分析模型的正确性,表明液动压悬浮抛光过程对研磨表面的残余应力起到了良好松弛效果。该研究有益于在液动压悬浮抛光加工中改善工件表面应力状态。

交变载荷下厚板对接焊残余应力的松弛行为

对于承受交变载荷的焊接构件,焊接残余应力的存在对于结构的疲劳寿命影响巨大。由于焊接残余应力形成机理的复杂性,当交变载荷作用时,焊接残余应力的松弛演变具有不确定性,导致该领域的研究难度相当大。迄今为止,鲜有文献就交变载荷下的厚板焊接残余应力松弛行为进行深入报道。采用低周疲劳试验,利用X射线残余应力测试仪,对试件表面焊接残余应力的松弛演变行为进行追踪研究,通过在试件表面近焊缝区布置网状测点,采集测点的横向及纵向焊接残余应力进行数据拟合,在试验对比修正的基础上,最终建立焊接残余应力的松弛演变模型。结果表明:在交变载荷作用下,焊接残余应力会发生松弛,并且,应力松弛量的大小与交变载荷的特征值大小紧密相关。

基于神经网络的喷丸25CrMo合金疲劳寿命及残余应力松弛行为预测研究

首先采用BP神经网络建立了喷丸25CrMo车轴钢疲劳寿命预测模型。然后,在此基础上采用遗传算法(GA)对BP神经网络的预测精度进行了优化。此外,还采用了径向基神经网络(RBF)进行建模分析,并与以上2种模型的预测结果进行对比。结果表明:遗传算法优化的BP神经网络(GA-BP)相比于BP和RBF神经网络具有更高的预测精度,其中训练集和测试集的平均预测精度分别为91.5%和85.4%。然后,基于GA-BP神经网络模型的连接权值矩阵和Garson方程进行了灵敏度分析,从而进一步量化了输入影响因素对喷丸25CrMo车轴钢疲劳寿命的相对影响比重;最后,还采用GA-BP神经网络预测了喷丸25CrMo车轴钢表面残余压应力的松弛行为。结果表明,测试集的平均预测误差仅为3.4%,表明了该神经网络预测性能良好。综上所述,采用神经网络建模分析了喷丸25CrMo车轴钢的疲劳性能和残余压应力松弛行为,显著降低了传统疲劳试验所需的成本,并且还保证了较高的准确性。

磨料水射流喷丸对渗碳GDL-1钢表面性能及残余应力场热松弛行为研究

采用后混合磨料水射流喷丸对经渗碳风冷后的GDL-1钢进行表面强化与改性,通过激光共聚焦显微镜,扫描电镜,透射电镜,显微硬度仪,X射线应力衍射仪分析不同压力水喷后试样表面粗糙度、组织、硬度和残余应力等的变化规律,并研究300 MPa水喷处理后不同保温温度和保温时间残余应力场的热松弛行为。结果表明:随着水压的增加,表面粗糙度增大、残留奥氏体转变量增多、硬度提高幅度变大,水喷后,晶粒和组织得到明显细化,并且在表层形成一定深度的残余压应力场。残余应力的热松弛主要受保温时间和温度的影响,在100℃和300℃时,残余应力的热松弛受回复过程控制,500℃时,残余应力热松弛受回复和再结晶过程控制。表面残余应力在回复过程中存在两个阶段,初始阶段应力松弛速度快,以点缺陷回复为主,后一阶段松弛速率慢,以位错回复为主,并进一步研究指出Zener-Wert-Avrami方程并不适合描述整个回复过程。

表面强化后梯度结构与残余应力对疲劳寿命的影响

表面强化技术使零件表层结构呈梯度分布并产生较高的残余压应力,可有效提高零件的使用寿命。近年来,表层梯度结构与残余应力对零件疲劳寿命的影响机理成为研究热点。综述了梯度结构与残余应力及其松弛对材料疲劳性能影响的新进展。材料经表面强化后,其表层晶粒明显细化,尺寸沿深度方向呈梯度分布,促使裂纹源转移至硬化层内部。残余应力与外力叠加,降低了零件的实际受力,从而影响零件的疲劳寿命,然而目前尚不能从机理层面对其进行揭示。对于残余应力松弛,目前的主要问题在于松弛模型的建立尚未完善。此外,在裂纹萌生阶段,梯度结构与残余应力均对零件疲劳强度有重要的影响,二者中哪个因素在疲劳过程中起到主导作用还未可知。

激光冲击与喷丸复合强化TC17钛合金表层残余应力研究

目的分析激光冲击与机械喷丸复合强化钛合金表层残余应力场及其在疲劳载荷下的稳定性。方法采用薄壁叶片强化参数先后对TC17钛合金表面进行激光冲击强化和喷丸强化,利用X射线衍射法分析两种工艺复合强化表层的残余应力分布,并分别在25、400℃拉-拉疲劳加载条件下分析复合强化表层残余应力的稳定性。结果激光冲击与喷丸复合强化表面残余应力值为-600^-800 MPa,残余压应力幅值沿深度不断递减,压应力层深度为0.7~0.8 mm。表面至0.1 mm深度范围内的残余应力分布梯度较大,其分布特征主要受控于喷丸工艺,而距表面0.1 mm以下的残余应力分布梯度较小,其分布特征受控于激光冲击强化工艺。结论激光冲击和喷丸强化顺序对最表层残余应力的均匀性有一定影响,对最表层以下的残余应力分布影响较小。复合强化表面残余应力在室温疲劳加载后具有较好的稳定性,在400℃疲劳加载下发生一定量松弛后趋于稳定。

交变载荷下划伤缺陷处应力松弛研究

金属结构表面缺陷处的残余应力对于其疲劳寿命有很大影响。本文数值模拟了钛合金TB6划伤缺陷处残余应力的产生和在后继交变应力下的松弛,研究了交变应力最大(最小)值对残余应力松弛的影响,以及划痕应力集中系数与缺陷尺寸之间的变化规律。模拟结果发现残余应力松弛主要发生在第一次交变载荷内,并且划痕缺陷处残余应力峰值随交变载荷最大(最小)值增加呈现比例增加,缺陷处应力分量集中系数与缺陷尺寸呈线性关系,并且沿载荷方向的分量比另外两个方向的分量更敏感。

再次喷丸周期对TC18钛合金疲劳寿命的影响

研究了再次喷丸对于经过预先喷丸的TC18钛合金残余应力和室温疲劳寿命的影响。使用X射线衍射仪和旋转弯曲疲劳机测定了再次喷丸后的合金的表面残余应力以及总疲劳寿命。结果表明,疲劳试验会使预先喷丸的TC18钛合金疲劳试样表面残余压应力松弛30%～50%,而再次喷丸可以使由于疲劳而松弛的表面残余压应力回复到疲劳试验前试样的50%～70%。此外,相比未经过再次喷丸的试样,选择合适的再次喷丸周期可使TC18钛合金的总疲劳服役寿命提高了75%。

喷丸处理构件疲劳寿命预测机理模型研究

提出了一种新的机理模型,该模型以喷丸处理构件裂纹扩展分析为基础,说明喷丸处理对机械构件疲劳寿命预测的影响。在裂纹扩展过程中,引入了表征表面粗糙度影响的渐进应力强度因子,并用时变残余应力函数改变裂尖应力比。用试验数据验证机理模型的有效性,结果表明,试验数据和模型预测非常吻合。

超高压管道失效模式及防护对策研究

通过分析反应管振动、开停工及生产牌号转换循环载荷、正常服役期间的压力和温度波动、伺服脉冲阀动作脉冲载荷以及乙烯超温分解反应等因素对超高压聚乙烯反应管自增强残余应力松弛的影响。指出乙烯超温分解是导致超高压聚乙烯反应管自增强残余应力松弛的主要原因,并给出了反应管外壁腐蚀损伤机理和夹套管的失效模式。提出了防止超高压聚乙烯反应管自增强残余应力松弛的对策,并指出应采取在制造过程中尽量消除反应管残余拉应力、改善冷却水水质及优化夹套管结构等措施,来有效防止腐蚀损伤的发生和提高夹套管冷却水的有效流动性,从而保证了超高压聚乙烯反应管安全、可靠、长周期的运行。

超音速微粒轰击诱导表面纳米化对300M钢腐蚀疲劳行为的影响

300M钢因其具有超高强度和优异塑韧性,常作为起落架的首选材料。但其在“高温、高湿、高盐”的海洋服役环境下易发生腐蚀疲劳失效,而表面强化可以有效提高其抗腐蚀疲劳性能。本工作采用超音速微粒轰击(SFPB)技术对300M超高强度钢进行表面纳米化处理,系统研究了SFPB对300M钢在3.5%NaCl溶液中的腐蚀疲劳行为的影响规律,并对300M钢腐蚀疲劳后的表面形貌、微观组织演变和残余应力松弛进行表征。结果表明,300M钢经SFPB后表层晶粒细化至纳米级,形成梯度纳米结构的同时还存在着高幅值残余压应力。在相同的加载应力水平下,SFPB有效提高了300M钢的腐蚀疲劳寿命。腐蚀疲劳后300M钢表层晶粒尺寸仍处于纳米量级,加载应力水平的增加使次表层位错密度显著增加的同时形变孪晶数量增多。在腐蚀疲劳过程中,300M钢表层由于SFPB诱导产生的残余压应力发生不同程度的松弛现象,残余应力松弛程度随着加载应力水平的增加而明显增加。

激光冲击处理对GH3039高温拉伸性能的影响

为了研究激光冲击处理GH3039高温合金的高温拉伸性能,采用高能激光束对GH3039高温合金试样进行冲击处理,对比分析了温度为600℃时不同保温时间下激光冲击处理GH3039的表面残余应力的松弛行为,研究了保温5 h后激光冲击处理GH3039的晶粒尺寸变化特性以及激光冲击前后GH3039的高温拉伸性能和断口。结果表明:经激光冲击处理后,GH3039表层晶粒显著细化,冲击区域表层1.7 mm深度范围内的应力为残余压应力。600℃下保温5 h后,激光冲击处理GH3039的晶粒平均尺寸由20.5μm增大到28.8μm,但远小于母材晶粒平均尺寸47.9μm;随着保温时间的延长,激光冲击处理GH3039的表面残余应力的松弛速率呈持续下降趋势;相比于母材,600℃下激光冲击试样的平均极限抗拉强度提升了7.9%,这归因于激光冲击处理诱导的晶粒细化和残余压应力。