316L不銹鋼表面納米化殘余應力對疲勞的數(shù)值分析＊

程國鋒，鐘蜀暉，楊昌樹

（貴州大學土木建筑工程學院，貴州 貴陽 550003）

316L不銹鋼表面納米化殘余應力對疲勞的數(shù)值分析＊

程國鋒，鐘蜀暉，楊昌樹

（貴州大學土木建筑工程學院，貴州 貴陽 550003）

高速旋轉絲表面納米化是一種新型的表面納米化方法，對 316L不銹鋼表面進行納米化處理，測定殘余應力在材料內(nèi)部的分布。通過數(shù)值模擬分析比較，表面納米化處理可以提高材料的疲勞極限。

高速旋轉絲表面納米化；殘余應力；數(shù)值模擬分析

高速旋轉絲表面納米化是一種新型的表面納米化處理方法，其可以讓金屬表層晶粒達到納米量級，晶粒重新排列，間隔距離縮小，相互作用力增強，從而使得材料力學性能得以提高。然而這種處理方法會使材料內(nèi)部的殘余應力重新分布，這又會引起材料整體力學性能發(fā)生變化，尤其是對材料的疲勞極限，影響更為顯著。本文對316L不銹鋼原試件和表面納米化試件殘余應力在材料內(nèi)部的分布測定，用數(shù)值模擬的方法，分析殘余應力對材料疲勞極限的影響。

1 實驗材料

目前材料表面納米化處理的方法有3種：分別為表面涂覆或沉積方法、表面自身納米化方法和混合納米化方法。在這3種納米化處理方法中只有表面自身納米化處理方法，既可解決納米晶體層與基體之間結合的問題，又可以利用傳統(tǒng)的表面加工技術得以實現(xiàn)。本文就是利用這種表面納米化方法的優(yōu)越性，利用高速旋轉絲表面納米化方法，在316L不銹鋼表面獲得納米層。

本實驗采用表面納米化處理和表面未納米化處理的 316L不銹鋼，其厚度均為5 mm，其材料屬性見表1、表2。

表1 316L不銹鋼常規(guī)性能表

表2 316L不銹鋼表面納米化處理試件的基本參數(shù)

2 殘余應力的測定及修正

2.1 測試方法的確定

本實驗利用X－350 X射線衍射儀測定殘余應力，其理論成熟、測量精度高，測量結果準確、可靠，被廣泛的運用于機械工程和材料科學。但X射線的穿透能力僅為10 um左右，所測得的只是工件表層的應力。本實驗研究殘余應力在體內(nèi)的分布，即需要測定沿材料厚度方向不同層面上的殘余應力，這就需要將待測面剝露至表面。故采用逐層剝離法，將待測面剝離至自由面，逐層測定各層面上的殘余應力。

2.2 X－350型應力測定儀測試參數(shù)的確定

對316L不銹鋼板進行殘余奧氏體測定，結果Aγ＝92.3%，可根據(jù)奧氏體的材料性質選定實驗參數(shù)，其數(shù)據(jù)選擇見表3。

2.3 殘余應力的測定

在測驗前需對所測的點進行標定，保證所測數(shù)據(jù)是同一點在不同深度的分布，同時可以用算術平均值來估算所測層面的平均殘余應力見表 4。每層表面確定 5個點進行測量，測點分布見圖1。

表3 X-350 X射線衍射儀參數(shù)選取表

表4 表面納米化試件殘余應力測定結果表

圖1 殘余應力測點分布圖

2.4 殘余應力的修正

2.5 殘余應力測定值修正結果

表5 表面納米化處理未疲勞試件殘余應力修正結果

3 ANSYS疲勞數(shù)值模擬分析

3.1 表面未納米處理模型分析

3.1.1 結構單元選擇

結合本實驗試件的特征，本次疲勞分析采用有限元單元為SOLID－45單元，該單元用于結構三維實體結構，單元通過8個節(jié)點來定義，每個節(jié)點有3個沿著XYZ方向平移的自由度。

3.1.2 實體模型建立

316L不銹鋼的有限元分析模型根據(jù)實驗標準試件模型進行建立，其幾何尺寸見圖2。

圖2 實體模型形狀尺寸圖

本實驗試件分為兩種，分別為表面納米化處理試件以及表面未納米化處理試件。

表面未納米化處理試件：整個試件表面和內(nèi)部的晶粒結構基本一致，故性能也一致，建立模型時考慮整個模型為同一材質，作為一個整體。

3.1.3 定義材料特性

316L不銹鋼的彈性模量E＝191 GP，泊松比λ＝0.3。

3.1.4 單元網(wǎng)格劃分

根據(jù)試件的形狀，在中間收縮的弧段將產(chǎn)生應力集中現(xiàn)象，兩邊的矩形被疲機夾頭固定，因此受疲勞的作用較小。故在網(wǎng)格劃分時，將收縮的弧段劃分為45等份，矩形部分在縱線及豎向劃分為10等份，弧段和矩形交接的直線劃分為15等份，沿試件厚度方向劃分為6等份。

3.1.5 加載并設置荷載步

本疲勞實驗R=－1，最大拉應力為210 MPa，最大壓應力為210 MPa，故要分為兩個荷載步加載：①施加壓應力－210 MPa，并設置為第一個荷載步；②施加拉應力，并設置為第二個荷載步。

3.1.6 求解計算（略）

3.1.7 疲勞設置、分析

后處理模塊POST1，對求解的結果進行逐步的讀取，查看模型應力分布圖，進行疲勞設置及分析。

（1）對第一個荷載步進行讀取。

（2）第一荷載步疲勞設置。在讀取第一荷載步后，進入Main Menu / General postproc / Fatigue進行疲勞設置。①對SN曲線進行設定。本次 316L不銹鋼疲勞實驗只測得實驗頻率H=10 Hz，應力比R=－1，最大應力為10.5 kN，而沒有對SN曲線進行實驗確定，故采用中科院盧柯工作組R=－1的316L不銹鋼疲勞實驗應力壽命S－N曲線；②疲勞應力的儲存。

表6 316L不銹鋼表面納米化處理試件R=－1的S－N數(shù)據(jù)表

（3）對第二個荷載步進行讀取。和第一個荷載步讀取的方法一樣，進入Main Menu / General postproc / Read results讀取第二荷載步。

（4）第二荷載步疲勞設置。

（5）疲勞分析：①定義疲勞分析事件和設定疲勞分析次數(shù)；②激活疲勞計算，輸出疲勞計算結果。

表7 疲勞分析計算結果表

可以得出，316L不銹鋼表面未納米處理試件，在R=－1，最大荷載為10.5 kN的疲勞作用下，疲勞壽命關鍵點2 347號節(jié)點的疲勞壽命Nf=144 000；在距2347號節(jié)點有一定距離的43號節(jié)點，疲勞壽命Nf=176 600。這表明拉壓疲勞在不同的點處產(chǎn)生的應力是影響疲勞壽命的決定性因素。

3.2 表面納米化處理模型分析

3.2.1 結構單元選擇

分析采用有限元單元為SOLID－45單元。

3.2.2 實體模型建立

圖3 表面納米化試件模型形狀尺寸圖

表面納米化處理試件：試件表層經(jīng)過高速旋轉絲納米化處理，其表層晶粒結構和心部結構有差異，故設置2種屬性的材料，即表面納米層和基體層，通過電鏡觀察，納米層厚度為20 um，變形過渡層厚度為110 μm。

本課題研究殘余應力對材料疲勞性能的影響，故逐層測定了殘余應力在材料內(nèi)部的分布。在數(shù)值模擬時，考慮材料內(nèi)部殘余應力對材料性能的影響，因此對材料進行沿厚度方向的劃分，在各個層面上施加測定的殘余面應力，再整體分析殘余應力對材料疲勞性能的影響。

圖4 模型分層圖（形狀對稱，只表示一半圖形）

圖5 表面納米化試件ANSYA建模圖（12層）

3.2.3 定義材料特性

316L不銹鋼的基體層材料彈性模量E=191 GP，泊松比λ=0.3。

3.2.4 單元網(wǎng)格劃分（略）

3.2.5 施加各層面荷載（殘余應力在不同表面的施加）

根據(jù)測定殘余應力在各個層面的分布，在分層模型的各表面上施加面荷載，模擬殘余應力在材料體內(nèi)部的分布，應力分布值見表8。

表8 殘余應力沿模型厚度分布表

殘余應力逐層施加圖，見圖6。

3.2.6 施加疲勞拉壓荷載

和原試件的施加，施加方法和未納米化模型施加的方法一致。

3.2.7 求解計算

3.2.8 疲勞設置、分析

表9 疲勞分析計算結果表

從分析結果可以得出，316L不銹鋼表面納米處理試件，在R=－1，最大荷載為10.5 kN的疲勞作用下，疲勞壽命關鍵點13015號節(jié)點的疲勞壽命Nf=263 400；在13016號節(jié)的疲勞壽命Nf=263 900。

圖6 殘余應力逐層施加圖

3.3 數(shù)值模擬結果分析

ANSYS數(shù)值模擬分析對表面納米化和表面未納米化 316L不銹鋼試件的疲勞壽命進行分析，表面未納米化試件模型的疲勞壽命為144 000，表面納米化試件模型的疲勞壽命為263 400，表面納米化試件的疲勞壽命是表面未納米化試件的1.83倍，即經(jīng)過表面納米化處理，試件的疲勞壽命提高了83 %。模擬分析表明，試件表面經(jīng)過納米化處理后，其疲勞性能大幅度的提高。

4 結論

表面納米化處理使表面層晶粒細化，晶粒間距縮小，晶粒之間的相互作用力增強，表層的較高作用力阻滯了裂縫在表面的萌生，并且使材料內(nèi)部的殘余應力重新分布。通過數(shù)值模擬分析，表面納米化處理的試件疲勞強度提高了83%。說明表面納米化處理是提高材料疲勞性能的有效措施。

1 張定銓.殘余應力對金屬疲勞強度的影響［J］.理化檢驗－物理分冊，2003（6）：231～235

2 洪京京.316L不銹鋼高速旋轉絲變形表面納米化疲勞性能的研究［D］.貴州大學，2010

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4 中華人民共和國船舶行業(yè)標準 GB3395－92.殘余應力測試方法：鉆孔應變釋放法［S］

5 李紅云、趙社戌.ANSYS10.0基礎及工程應用［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2008.6

6 何家文、徐可為等.Chin.J.Met.Sci.Technol, 1988：98～102

316L Stainless Steel Surface Nanometer Residual Stress to Weary Numerical Analysis

Cheng Guofeng，Zhong Shuhui，Yang Changshu

The high speed revolving dial indicator surface nanometer is one new superficial nanometer method, carries on nanometer place to the 316L stainless steel surface the principle, the determination residual stress in the material internal distribution.Through the numerical simulation analysis comparison, a superficial nanometer processing may enhance the material the limit of fatigue.

high speed revolving dial indicator surface nanometer; residual stress; numerical simulation analysis

TG174.4

A

1000－8136（2011）06－0001－03

貴州大學研究生創(chuàng)新基金資助項目（編號：校研理工2010047）