USP強(qiáng)化工藝對(duì)金屬材料表面性能影響研究

王洪波 楊天南 劉迎春 王 征 郝永剛

（1.中國(guó)人民解放軍95952部隊(duì)，酒泉 735018；2.海軍駐沈陽地區(qū)發(fā)動(dòng)機(jī)專業(yè)軍事代表室，沈陽 110043；3.中國(guó)人民解放軍93010部隊(duì)，沈陽 110000；4.中國(guó)航發(fā)沈陽黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司，沈陽 110043）

近年來，噴丸強(qiáng)化工藝被認(rèn)為是一種使金屬表面產(chǎn)生晶粒細(xì)化的過程，其中細(xì)化顆粒在表面區(qū)域中從表面向內(nèi)部逐漸增加到一定深度，在材料表面區(qū)域至一定深度處引入殘余壓應(yīng)力，使材料對(duì)疲勞裂紋延伸產(chǎn)生高抵抗力，以改善疲勞強(qiáng)度和總體壽命[1]。噴丸強(qiáng)化屬于冷加工表面改性技術(shù)，即在外力驅(qū)動(dòng)下，噴丸介質(zhì)以一定的速度撞擊靶材，使靶材表面發(fā)生塑性變形，在靶材表面形成凹坑，無數(shù)凹坑重疊形成均勻的殘余壓應(yīng)力層[2]。大多數(shù)的材料失效（如疲勞斷裂、微動(dòng)疲勞、磨損和腐蝕）都源自工件的外層，而噴丸強(qiáng)化工藝可以抑制工件表面裂紋萌生及抵抗工件表面已出現(xiàn)的微裂紋延伸，它對(duì)提高工件結(jié)構(gòu)承載能力和改善結(jié)構(gòu)總體性能非常有效。由于噴丸強(qiáng)化工藝與受噴靶材表面壓縮殘余應(yīng)力之間存在緊密聯(lián)系，影響噴丸強(qiáng)化效果的因素也非常多，因此，無論是在理論研究方面，還是實(shí)際工程應(yīng)用方面，噴丸強(qiáng)化工藝都值得人們深入研究。

本文以超聲噴丸強(qiáng)化機(jī)理為基礎(chǔ)，建立單彈丸超聲噴丸強(qiáng)化有限元模型，選擇不同的工藝參數(shù)進(jìn)行噴丸強(qiáng)化仿真，利用優(yōu)化模型，分析受噴靶材的應(yīng)力應(yīng)變值，尋找最佳工藝參數(shù)，對(duì)超聲噴丸強(qiáng)化工藝?yán)碚撗芯孔鬟M(jìn)一步的探索。

1 強(qiáng)化機(jī)理

超聲噴丸強(qiáng)化工藝屬于一種將靶材表面晶粒細(xì)化到納米級(jí)的過程，并在靶材表面區(qū)域引入壓縮殘余應(yīng)力，以增加材料抗裂紋起裂能力和提高零件疲勞強(qiáng)度的強(qiáng)化工藝[3]。超聲噴丸強(qiáng)化原理是利用超聲波作為激振源，驅(qū)動(dòng)彈丸以高速撞擊靶材表面，使表面在瞬間產(chǎn)生塑性變形，形成由正壓力和剪切力組成的應(yīng)力系統(tǒng)，從而在受噴靶材的表面至一定深度處形成壓縮殘余應(yīng)力場(chǎng)，達(dá)到提高靶材疲勞強(qiáng)度的目的。

超聲噴丸強(qiáng)化過程使靶材表層區(qū)域發(fā)生塑性變形，在靶材的表面至一定深度處誘發(fā)壓縮殘余壓應(yīng)力場(chǎng)[4]。噴丸強(qiáng)化引起的塑性變形區(qū)域僅為200 300μm，因此產(chǎn)生極高的應(yīng)力（應(yīng)變）梯度，形成一定厚度的強(qiáng)化層，從而達(dá)到提高零件疲勞強(qiáng)度、改善零件疲勞壽命的目的。

2 算例和討論

本文基于有限元軟件ANSYS，利用CATIA軟件建立噴丸強(qiáng)化模型，利用ANSYS/WORKBEACH軟件進(jìn)行單彈丸強(qiáng)化模型前處理，利用LS-DYNA Slover進(jìn)行數(shù)值求解，利用LSPREPOST軟件提取仿真結(jié)果，并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析[5-7]。劃分網(wǎng)格后的噴丸強(qiáng)化模型如圖1所示。

圖1 劃分網(wǎng)格后的噴丸強(qiáng)化模型

2.1 幾何建模

利用CATIA軟件建立單彈丸強(qiáng)化幾何模型，其中受噴靶材的基本尺寸為2mm×2mm×2mm，控制彈丸直徑為0.6mm，彈丸距離靶材受噴面4mm。

2.2 載荷與邊界條件

2.2.1 施加載荷

靶材選用Q235鋼，彈丸模型被視為剛性體，均選擇SOLID164六面體單元。根據(jù)影響彈丸強(qiáng)化工藝過程的主要因素，制定施加載荷條件如下：噴丸角度為90°保持恒定，分別用速度為40m/s、60m/s、80m/s、100m/s的彈丸強(qiáng)化靶材；控制彈丸速度為60m/s，分別用噴射角度為30°、60°、90°的彈丸強(qiáng)化靶材。

2.2.2 邊界條件

為了模擬大尺寸噴丸強(qiáng)化工件，靶材非受噴5個(gè)側(cè)面采用非反射邊界，從而避免應(yīng)力波在邊界處反射對(duì)模擬結(jié)果的影響，提高噴丸強(qiáng)化數(shù)值模擬的精確度。

2.3 數(shù)值求解

數(shù)值求解利用求解器ANSYS/LS-DYNA Slover，步長(zhǎng)為100mm。本文計(jì)算受噴部位各深度處殘余應(yīng)力采用的方法是：劃分網(wǎng)格后的靶材，可以將靶材看成若干層，抽取每層受噴部位的4個(gè)元素，取其殘余應(yīng)力平均值，視為該深度處殘余應(yīng)力值，從而可得到受噴靶材各深度處殘余應(yīng)力具體數(shù)值，進(jìn)而研究各個(gè)工藝參數(shù)對(duì)強(qiáng)化效果的影響。

2.4 強(qiáng)化效果分析

2.4.1 噴丸速度對(duì)殘余應(yīng)力的影響

本節(jié)設(shè)置彈丸直徑為0.6mm，分別以噴射速度為40m/s、60m/s、80m/s、100m/s的彈丸垂直噴射靶材，其中100m/s彈丸噴射靶材產(chǎn)生的殘余應(yīng)力分布云圖如圖2所示。通過速度研究不同彈丸速度對(duì)靶材殘余應(yīng)力場(chǎng)的影響規(guī)律，為實(shí)際噴丸強(qiáng)化過程彈丸速度的取值提供理論依據(jù)，合理設(shè)置實(shí)際噴丸強(qiáng)化過程的彈丸速度，以求達(dá)到最佳噴丸強(qiáng)化效果。

圖2 100m/s彈丸噴射靶材表層殘余應(yīng)力分布云圖

由圖3可以得出，隨著彈丸速度增大，曲線有整體右移的趨勢(shì)，靶材沿深度方向，殘余壓應(yīng)力先增大后減小，靶材表層殘余應(yīng)力值與最大殘余應(yīng)力值持續(xù)增大，增幅較明顯，殘余壓應(yīng)力場(chǎng)持續(xù)增厚，最大殘余應(yīng)力所在層深在持續(xù)變深，但二者變化幅度并不明顯。隨著彈丸速度增大，彈丸能量增加，彈丸傳遞給靶材的能量增加，致使靶材發(fā)生的塑性變形程度增大。因此，在不考慮靶材表面粗糙度的情況下，增大彈丸速度有利于提高靶材的抗疲勞性能[8]。

圖3 不同速度彈丸噴射靶材殘余應(yīng)力隨深度變化曲線

實(shí)際噴丸強(qiáng)化過程中，理論上可以通過增大彈丸速度得到較厚的殘余壓應(yīng)力場(chǎng)。但是，增大彈丸速度，受處理靶材表面的粗糙度也會(huì)相應(yīng)增加。因此，在對(duì)靶材進(jìn)行噴丸強(qiáng)化處理時(shí)，應(yīng)找出一個(gè)最佳彈丸速度，在使靶材滿足強(qiáng)化要求和粗糙度要求的前提下，滿足經(jīng)濟(jì)性要求。

2.4.2 噴丸角度對(duì)殘余應(yīng)力的影響

本節(jié)設(shè)置彈丸速度60m/s，彈丸直徑為0.6mm，分別以30°、60°、90°的角度噴射靶材，90°角度噴射受噴靶材產(chǎn)生的殘余應(yīng)力分布云圖如圖4所示。研究不同噴丸角度對(duì)受噴靶材殘余應(yīng)力場(chǎng)的影響規(guī)律，為實(shí)際噴丸強(qiáng)化過程噴丸的取值提供理論依據(jù)，合理設(shè)置實(shí)際噴丸強(qiáng)化過程的噴丸角度，以求達(dá)到最佳噴丸強(qiáng)化效果。

圖4 90°的角度彈丸噴射靶材表層殘余應(yīng)力分布云圖

從圖5可以看出，隨著彈丸噴射角度增大，曲線有整體右移的趨勢(shì)，靶材沿深度方向，殘余壓應(yīng)力先增大后減小，靶材表層殘余應(yīng)力值與最大殘余應(yīng)力值持續(xù)增大，增幅均很小，殘余壓應(yīng)力場(chǎng)厚度從30°到60°變化明顯，而從60°到90°則幾乎沒有變化，最大殘余應(yīng)力所在層深在噴射角度為60°處最大。隨著噴射角度的增大，表面殘余壓應(yīng)力與最大殘余壓應(yīng)力均增大，理論上可選擇90°噴丸角度進(jìn)行噴丸處理。但是，在實(shí)際噴丸強(qiáng)化過程中，相同速度的彈丸對(duì)同種靶材進(jìn)行強(qiáng)化時(shí)，以90°噴射的彈丸攜帶的能量過大，容易對(duì)靶材表面質(zhì)量造成一定的損傷，增大靶材表面粗糙度。因此，在對(duì)靶材進(jìn)行強(qiáng)化處理時(shí)，可以選用60°噴丸角度，在滿足強(qiáng)化要求的同時(shí)滿足表面質(zhì)量要求。

圖5 不同角度彈丸噴射靶材殘余應(yīng)力隨深度變化曲線

3 結(jié)論

本文利用ANSYS軟件建立噴丸過程的單彈丸模型，研究彈丸速度、噴丸角度對(duì)靶材強(qiáng)化效果的影響，得出以下結(jié)論。

（1）隨著彈丸速度增大，曲線有整體右移的趨勢(shì)，曲線的特征參量均增大，靶材表層殘余應(yīng)力值與最大殘余應(yīng)力值持續(xù)增大，增幅較明顯，殘余壓應(yīng)力場(chǎng)持續(xù)增厚，最大殘余應(yīng)力所在層深持續(xù)變深，但二者變化幅度并不明顯。

（2）隨著彈丸噴射角度增大，曲線有整體右移的趨勢(shì)，靶材表層殘余應(yīng)力值與最大殘余應(yīng)力值持續(xù)增大，增幅均很小，殘余壓應(yīng)力場(chǎng)厚度從30°到60°變化明顯，而從60°到90°則幾乎沒有變化，最大殘余應(yīng)力所在層深在噴射角度為60°處最大。彈丸速度的切向分量驅(qū)使彈丸擠壓彈坑前表面，使靶材表層產(chǎn)生更大的壓應(yīng)力區(qū)域，彈丸速度的垂直分量驅(qū)使彈丸向下噴射，使靶材沿深度方向產(chǎn)生更厚的壓應(yīng)力區(qū)域。

總之，彈丸速度、噴丸角度的變化與受噴靶材內(nèi)部殘余應(yīng)力的變化屬于非線性關(guān)系，各個(gè)工藝參量改變，均會(huì)引起靶材內(nèi)部殘余應(yīng)力場(chǎng)的改變，但靶材內(nèi)部殘余應(yīng)力場(chǎng)曲線的變化趨勢(shì)是一致的。

[1]方博武.受控噴丸與殘余應(yīng)力理論[M].濟(jì)南：山東科學(xué)技術(shù)出版社，1991.

[2]Coello C A C，Pulido G T，Lechuga M S.Handling Multiple Objecives with Particle SwarmOptimizations[J].IEEE Transactions on Evolutionary Computation，2004，8（3）：256-279.

[3] ERDL Rios，A Walley，MT Milan，etal.Fatigue Crack Initiation and Propagation on Shot-peened Surfaces in A316 Stainless Steel[J].International Journal of Fatigue，1995，17（7）：493-499.

[4]H Luong，MR Hill.The Effects of Laser Peening and Shot Peening on High Cycle Fatigue in 7050-T7451 Aluminum Alloy[J].Materials Science & Engineering A，2010，527（3）：699-707.

[5]張紅松，胡仁喜.ANSYS有限元分析從入門到精通[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

[6]尚曉紅，蘇建宇.ANSYA/LS-DYNA動(dòng)力分析方法與工程實(shí)例[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2005.

[7]黃志新.ANSYS Workbench16.0超級(jí)學(xué)習(xí)手冊(cè)[M].北京：人民郵電出版社，2014.

[8]付敏.TC4鈦合金噴丸強(qiáng)化有限元模擬[D].大連：大連理工大學(xué)，2014：6-8.