喷丸强化对车辆传动齿轮裂纹扩展影响的研究综述

疲劳断裂是重载车辆传动齿轮的主要失效形式之一,齿轮底部疲劳裂纹的扩展将缩短车辆传动系统的服役寿命,严重时会导致车辆发生安全事故。延缓裂纹扩展的主要方法是在传动齿轮的表面引入一定大小的残余压应力。喷丸技术是一种冷加工表面强化处理工艺,该技术利用高速弹丸冲击材料表面,使零件表层产生塑性应变的同时,在表面和内部引入残余压应力,从而使裂纹闭合的能力得到强化,达到延缓裂纹扩展的强化效果。为了更好地揭示喷丸引入的残余压应力对疲劳裂纹扩展的影响,首先综述了传动齿轮表面疲劳裂纹产生的原因以及疲劳裂纹的扩展行为对重载车辆服役的影响。从强度因子、J积分以及裂纹闭合效应出发,介绍了传动齿轮表面疲劳裂纹扩展的理论以及残余压应力与疲劳裂纹扩展速率之间的关系。其次概述了目前国内外常用的新型有益于将残余拉应力转化为残余压应力的微粒子喷丸、激光喷丸、超声喷丸方法,并与传统机械喷丸技术相比较,阐述了新型喷丸表面强化技术的优缺点。此外,从数值模拟和试验结果两方面,论述了喷丸速度、喷丸角度、弹丸直径、弹丸材质和覆盖率5个工艺参数对在传动齿轮表面引入残余压应力的改善影响。最后对喷丸强化技术在传动齿轮上的多目标参数优化以及多尺度残余压应力与疲劳性能进行了展望,并结合重载车辆的使用需求,强调需要创新设计一种效率高、价格低、适用性广的喷丸技术,以进一步推动喷丸强化在延缓疲劳裂纹扩展方面的持续发展。

激光冲击处理对金属微结构及其性能的影响

论述了激光冲击处理的基本原理,分析了激光诱发的冲击波在材料中的传播过程。激光冲击处理会使金属材料表层发生塑性变形而产生很高的残余压应力;冲击区的显微组织中会产生高密度位错,有时亦有孪晶与相变产生;金属材料表层的塑性变形、高残余压应力、高密度位错、孪晶以及相变,这些因素的共同作用使得金属材料表面硬度、疲劳寿命获得很大的提高。

深氮化硬化钢的接触疲劳试验研究

对双真空32Cr3MoVE钢深氮化件进行接触疲劳试验研究和全面分析。结果表明,失效形貌呈典型的接触疲劳特征,两种疲劳裂纹形成模式同时存在。深氮化试件具有优良的硬度梯度和残余压应力分布,与渗碳件相比接触疲劳寿命提高3.3~4.5倍。

激光冲击强化提高主动连杆振动疲劳性能

针对某型发动机放气活门主动连杆转接R处的疲劳断裂问题,进行了主动连杆激光冲击强化工艺研究;完成了原型件和激光冲击强化、喷丸及加大R 3种处理工艺后主动连杆振动疲劳对比试验.结果表明,在317 MPa的应力水平下,激光冲击强化、喷丸和加大R后主动连杆疲劳寿命分别为原型件的5.24倍、3.89倍及1.36倍;与其它2种工艺相比,激光冲击强化具有强化效果好、工艺稳定性高、易于实现等优点,是截至目前减少主动连杆疲劳断裂故障的最佳处理工艺.主动连杆激光冲击强化后表面粗糙度较小,产生深度约1.4 mm的高数值残余压应力层,表层晶粒细化至纳米晶并伴随高密度位错.三者共同作用可以有效缓解转接R处的应力集中,抑制疲劳裂纹在转接R处的萌生和扩展,是主动连杆振动疲劳寿命提高的主要原因.

激光冲击喷丸对LY12合金疲劳寿命的影响

研究了激光冲击喷丸对含中心紧固孔LY12合金试样的疲劳寿命的影响。试样表面经连续三次激光冲击喷丸处理后,可获得351MPa的表面残余压应力,且深度可达1．3mm以上。疲劳试验结果显示,激光冲击喷丸后,试样的裂纹扩展速率比未喷丸试样低约一个数量级,疲劳寿命约为未喷丸试样的20倍。结果表明,激光冲击喷丸是改善构件或材料疲劳性能的有效表面处理技术,在航空工业具有广泛的应用前景。

改善零件疲劳寿命的激光冲击强化技术

喷丸强化在工业界已得到广泛的应用,而激光冲击强化处理是最近几年来出现的表面改性新工艺。它利用激光冲击波技术使零件表层材料的亚结构得到改善和产生有益残余压应力,因此降低了生成疲劳裂纹源的比例和增加抗应力腐蚀的能力,从而延长零件的疲劳使用寿命。同传统的机械喷丸强化相比,激光冲击强化具有更大的优势。

钢箱梁横隔板焊缝疲劳性能的锤击效果研究

针对钢箱梁横隔板与U肋连接焊缝疲劳细节,选取了三个局部试件作为研究对象,采用锤击装置对试件弧形缺口处焊缝的焊趾部位进行锤击处理,并采用疲劳试验机对处理后试件进行疲劳加载,对比分析试件的疲劳裂纹扩展情况、疲劳应力幅和疲劳强度的变化情况。同时,建立了局部锤击有限元模型,分析锤击部位的残余应力、塑性变形等,并结合疲劳试验结果,从疲劳裂纹萌生寿命、疲劳强度、锤击残余应力分布等角度,对锤击效果进行了评价。研究结果表明,锤击处理可有效提高横隔板与U肋连接焊缝的疲劳裂纹萌生寿命及疲劳强度;锤击处理可产生明显的塑性变形及残余应力,且两者均以焊趾为中心近似呈圆弧状分布;锤击深度为0.2mm时,锤击残余压应力沿板厚、垂直焊缝方向的分布范围均为3mm左右,从而改善构件的疲劳性能。

激光冲击强化对2524铝合金疲劳寿命的影响

目的探索激光冲击工艺参数对2524铝合金疲劳寿命的影响。方法开展不同激光能量、不同冲击次数下的激光冲击强化实验,测试其残余应力和表面硬度,并进行裂纹扩展实验和显微组织观察。结果激光冲击强化能显著提高材料的表面硬度,且材料的硬度值随着冲击能量和冲击次数的增加而递增,但硬度增长率随冲击次数增多而降低。激光冲击强化在试样表层形成较大的残余压应力,使用6.25 J的激光能量冲击1次,最大残余压应力可达-222MPa,并且残余压应力随着激光能量和冲击次数增加而增加,但冲击强化次数存在阈值。相较于未冲击试样,激光冲击1次的试样的疲劳寿命提升32%,冲击2次的疲劳寿命提升41%。对试样断口进行微观形貌观察,在裂纹长度为28 mm处,未冲击试样、激光冲击1次和冲击2次试样的疲劳条带间距分别为1.06、0.628、0.488μm,裂纹扩展速率分别为1.06×10^-3、6.28×10^-4、4.88×10^-4 mm/N。结论激光冲击强化能显著提高2524铝合金的表面硬度,并在表面产生较大的残余压应力。激光冲击强化能够有效迟滞2524-T3铝合金的疲劳裂纹扩展速率,进而有效延长疲劳寿命。

开缝衬套冷挤压孔工艺

对开缝衬套冷挤压孔和芯棒直接冷挤压孔的工艺方法进行了比较 ,并对开缝衬套冷挤压孔工艺参数、孔挤压后铰削量与疲劳寿命的关系以及孔挤压后残余压应力释放进行了研究。

激光冲击处理的应用

目前激光焊接技术在制造业中应用非常广泛,其中,激光冲击处理技术是最近几年出现的一种新技术。激光冲击处理是利用高能量密度的激光束诱导产生的高压等离子体冲击工件的表面,使之产生压应力,以提高零部件的疲劳寿命和抗应力腐蚀开裂的能力。概述了激光冲击处理的原理、特性、应用状况及发展前景。

孔边R型面挤压强化工艺技术研究

针对小孔挤压、喷丸工艺无法有效提高零件孔边R型面的疲劳强度问题,研究提出了一种新型孔边R型面挤压强化工艺技术,设计了一套有效的挤压工艺装备。通过工艺试验验证表明,挤压后的孔边R型面与孔边、孔壁的过渡更圆滑,显著降低了R型面的表面粗糙度,大幅提高了其表面残余压应力水平,增大了残余压应力层厚度,使孔结构的疲劳寿命提高了40倍。

激光冲击强化4330钢疲劳性能研究

经激光冲击强化处理后的4330钢试样表面,采用四点弯曲疲劳实验方法对其疲劳性能进行考核。采用显微硬度仪、扫描电子显微镜、X射线残余应力仪和电解抛光仪等对4330钢疲劳性能提升机理进行研究。结果表明,未强化试样,平均循环32.84万次发生疲劳断裂;而经激光冲击强化处理后,循环100万次仍然完好,疲劳寿命至少是未强化试样的3.05倍,残余压应力深度可达1.5 mm以上,显微硬度提升了18.9%。激光冲击强化处理可将4330钢试样裂纹源的萌生推进至表面以下一定深度。

陶瓷喷丸强化对TC4-DT钛合金疲劳性能的影响

为了探讨陶瓷丸喷丸强化对TC4-DT钛合金疲劳行为的影响,对TC4-DT钛合金进行了铸钢喷丸强化和陶瓷喷丸强化,采用表面轮廓仪、扫描电子显微镜、旋转弯曲疲劳、轴向疲劳等研究了2种喷丸介质对TC4-DT钛合金表面粗糙度、表面形貌、表面残余压应力、疲劳寿命、疲劳强度的影响。结果表明:陶瓷丸喷丸对TC4-DT钛合金疲劳极限影响不大,陶瓷丸喷丸后表面形貌和粗糙度明显优于铸钢丸喷丸表面,陶瓷丸喷丸强化效果优于铸钢丸喷丸,可提高疲劳寿命达20倍以上。对于薄壁零件喷丸强化,陶瓷喷丸强度不宜超过0.15 A,喷丸强度过高,强化效果不佳。

开缝衬套冷挤压强化工艺对7050铝合金孔连接结构疲劳寿命的影响

针对飞机结构件7050铝合金进行开缝衬套冷挤压后孔的疲劳寿命增益研究。从断裂力学角度出发,考虑冷挤压后残余压应力对裂纹扩展驱动力的影响,研究冷挤压后连接孔的疲劳寿命预测模型。

喷丸强化提高齿轮寿命

本文叙述了喷丸强化的作用,原理与使用范围.

圆形截面构件在非弹性变形后塑性层厚度及变形的计算

本文讨论了圆形截面塑性层厚度的计算方法,以获得残余压应力,从而能产生有利影响,提高构件的疲劳寿命.同时,也提供了构件在塑性变形后变形的计算方法.

焊接残余应力对超声冲击处理焊接接头疲劳寿命的影响

国际焊接学会(IIW)于2016年发布超声冲击改善焊接接头疲劳性能的推荐规范,该规范的制定主要基于轴向加载的小尺寸焊接接头的疲劳试验,没有充分考虑实际焊接结构中存在的高值焊接残余应力对疲劳延寿效果的影响。采用试验和有限元相结合的方法研究焊接残余应力对超声冲击处理焊接接头疲劳寿命的影响,结果表明,焊接残余拉应力的存在使超声冲击形成的有益残余压缩应力在疲劳服役过程中发生明显释放,进而降低超声冲击处理焊接接头的疲劳延寿效果;试件厚度方向的焊接残余应力平均值越大并且焊接残余应力在超声冲击形成的平衡拉应力区(表面向下1.5~4mm)的值越大,残余压缩应力越容易发生释放。研究充分证实焊接残余拉应力对超声冲击疲劳延寿效果产生不利影响,并揭示其影响因素,对超声冲击处理规范的制定和疲劳评估具有指导意义。

强激光冲击铝合金改性处理研究

利用新型聚偏1,1-二氟乙烯(PVDF)压电传感器,实现了对激光引发的冲击波压力的实时测量,得到激光引发的冲击波峰压在铝中成指数型的衰减规律;观测了不同约束层材料在铝靶表面产生的激光冲击波,研究了不同约束层对冲击效果的影响;最后用激光冲击强化装置对7050-T7451航空铝合金结构材料进行了冲击强化处理,对试件激光冲击区存在的残余压应力及位错密度进行了测量.结果显示经激光冲击处理的试件表面具有极高的残余压应力,可达-200 MPa以上.激光冲击处理后铝合金的位错密度得到显著的提高,疲劳寿命提高到175%～428%.这些重要结果对激光冲击改性处理技术的实际应用具有指导性作用.

超声波冲击对30CrMnSiNi2A钢疲劳性能的影响

借助金相显微镜、X射线衍射仪对超声波冲击加工与传统抛光后试样表层组织性能进行对比分析,研究超声波冲击加工对30Cr Mn Si Ni2A疲劳寿命的影响。结果表明,经超声冲击后,试样表层组织变得更加细密从而阻止裂纹在表面萌生,形成更高的残余压应力减缓了裂纹扩展速率,使得1200 MPa下30Cr Mn Si Ni2A钢试样的疲劳寿命较传统抛光下的试样增加了23.5%。

高速动车组S38C车轴疲劳强度及剩余寿命评价

本文通过实验获得S38C车轴的残余应力场、基本力学性能和断裂性能,采用表面单位压力法及二次迭代,在实物车轴中重建出径向梯度分布的压缩残余应力,基于实测载荷谱进行含缺陷S38C车轴的剩余寿命预测.分析结果表明:残余压应力对裂纹扩展有显著的抑制作用,深度小于4 mm的初始裂纹不扩展;经典Paris方程和NAS-GRO方程估算寿命分别约为28.5万公里和89.3万公里.当深度大于7 mm时,裂纹扩展速率迅速增大,因此,把7 mm作为S38C车轴损伤容限分析止裂判据比较合理.研究方法和结果对于含缺陷表面强化铁路车轴的疲劳强度及剩余寿命评价具有重要意义.