[发明专利]一种钛合金喷丸强化残余压应力场的预测方法

说明书

技术领域

本发明属于金属材料表面喷丸强化的技术领域，具体涉及到一种基于特征参量和余弦衰减函数的TC17钛合金喷丸强化残余压应力场的预测方法。

背景技术

疲劳是航空等武器装备构件最广泛、最具代表性的失效模式。由于疲劳失效具有低应力和无宏观变形等特征，因此，比静力破坏具有更大的危险性，是对航空武器装备安全使用威胁最大的一种失效模式。高强度合金的最大优点是具有很高的强度和很高的固有疲劳强度，但其突出弱点是疲劳性能对应力集中敏感，而且强度越高，敏感性越大。为了提高航空构件的疲劳性能和使用可靠性，工程应用中通常使用表面喷丸强化技术对构件进行处理。

喷丸强化是利用高速弹丸流对金属构件表面持续撞击，使表层材料在再结晶温度下产生弹、塑性变形和纤维组织变化，呈现理想的组织结构和残余压应力分布，从而提高金属构件的疲劳寿命和耐腐蚀性等性能。通常认为喷丸强化对室温疲劳性能的提升主要是由于引入了残余压应力场，其次是微观组织结构和表面粗糙度或表面形貌的影响。喷丸强化引入的残余压应力场可以将疲劳源由表面驱赶到亚表面，而且可以增加裂纹的闭合效应来减小裂纹的扩展速率，进一步提高构件的疲劳强度。喷丸强化的工艺参数直接影响残余压应力场的分布，因此必须通过恰当的控制喷丸强化工艺参数，以获得适宜的表面粗糙度和理想的残余压应力场分布，从而提高构件的疲劳性能。

喷丸强化残余压应力场的预测主要有:有限元仿真法、物理解析法和经验模型法。有限元仿真法和物理解析法，能够清晰地描述喷丸强化过程和残余压应力场的分布结果，而在求解时通常采用多种简化假设，把喷丸强化过程进行理想化，但实际喷丸强化过程复杂、影响因素众多，因此预测得到的残余压应力场往往与试验测试值有较大差距。目前对喷丸强化残余压应力场研究通常采用的方法是试验法。高玉魁先生对TC18钛合金的喷丸强化残余压应力场进行了试验研究，把喷丸强化残余压应力场曲线的特征归纳为4个参数，但没有建立特征参数与喷丸强化工艺参数的关系；Xie等研究了喷丸强化对Ti-6Al-4V材料及不同(TiB+TiC)含量的Ti-6Al-4V基体复合材料残余压应力的影响，结果表明相同喷丸强度下，在距试样表面75μm范围内，不同试样材料的残余压应力变化不明显，而深度大于75μm后增强材料比基体材料的残余压应力下降较快；Tsuji等采用直径70μm的高速钢弹丸对Ti-6Al-4V钛合金进行喷丸强化试验研究，结果表明与未喷丸试样相比，喷丸强化后最大残余压应力位于表面约为-970MPa，残余压应力层深约为100μm。

中国专利《一种基于有限元分析的喷丸强化处理工艺参数确定方法》，申请号为201410848826.3，公开号CN104484538A，公开日2015.04.01，公开了一种基于有限元分析的喷丸强化处理工艺参数确定方法，其特征是：建立弹丸和受喷材料的有限元模型，通过设定不同的弹丸半径、弹丸速度和弹丸强度进行有限元分析，得到最大平均残余压应力，采用回归分析进而得到最大平均应力关于工艺参数的最优回归方程，利用最优回归方程确定喷丸强化处理工艺参数。

中国专利《一种控制高温合金表面应变硬化率的喷丸强化方法》，申请号为201110346181.X，公开号CN102373321A，公开日2012.03.14，公开了一种控制高温合金表面应变硬化率的喷丸强化方法，其特征是：通过测试找出材料饱和残余压应力场下的临界应变硬化率，确定材料临界应变硬化率下的喷丸强化工艺参数，并进行喷丸强化处理。

上述专利涉及到喷丸强化工艺参数和残余压应力场，但并没有建立喷丸强化工艺参数与残余压应力场的关系模型。

发明内容

本发明是针对上述现有喷丸强化技术中残余压应力场控制困难、测试工作量大、预测精度差等问题，而提出了一种基于特征参数和余弦衰减函数的钛合金喷丸强化残余压应力场的预测方法，实现对钛合金喷丸强化残余压应力场的预测，进而指导钛合金喷丸强化工艺参数的选取。旨在通过建立喷丸强化工艺参数与残余压应力场的关系模型，解决根据残余压应力场的需求，合理确定喷丸强化工艺参数。

本发明采用的技术方案如下：

本发明系基于特征参数和余弦衰减函数的钛合金喷丸强化残余压应力场的预测，其按如下步骤进行：

步骤1：确定喷丸强化残余压应力场特征参数模型