CN109388878A - 一种综合考虑喷丸强化效果的疲劳寿命预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种综合考虑喷丸强化效果的疲劳寿命预测方法，步骤为：(1)获取材料表面喷丸强化之后的残余应力、表面粗糙度的分布情况。可通过开展相应试验件的喷丸强化试验或者进行喷丸强化工艺的有限元仿真进行；(2)通过X射线衍射方法获取材料喷丸前后衍射线半高宽(FWHM)的变化；(3)将所得的残余应力、表面粗糙度、表层微观组织等因素考虑进Sines寿命准则方程中，增加相应的参数项，获得考虑残余应力、表面粗糙度、表层微观组织影响的修正的Sines寿命准则方程；(4)根据未强化的光滑试样在不同应力比下疲劳寿命曲线数据拟合获得Sines寿命准则中的材料参数；(5)利用得到的修正的Sines寿命准则对试验件寿命进行预测，预测结果与试验结果对比验证预测方法的有效性。

Description

一种综合考虑喷丸强化效果的疲劳寿命预测方法

技术领域

本发明是一种综合考虑喷丸强化效果的疲劳寿命预测方法，它是一种能够考虑喷丸强化之后引起的残余应力，表面粗糙度因素以及表层微观组织的影响的寿命预测方法，属于航空航天发动机技术领域。

背景技术

先进航空发动机涡轮部件长时间工作在高温、高压、高转速的极端服役环境下，易于产生疲劳失效现象，为了降低疲劳失效风险，常采用喷丸强化表面处理技术对涡轮盘、叶等部件进行处理。喷丸强化能够引入一定深度的残余压应力，一般在进行喷丸结构的寿命预测时，往往只考虑残余应力的影响的，但是喷丸强化同样会引起表面粗糙度的升高，对寿命会带来负面影响，同时表层微观组织同时会发生变形，对构件疲劳寿命产生影响。因此，需要建立能够综合考虑残余应力、表面粗糙度以及表层微观组织的寿命预测模型，综合衡量喷丸强化之后残余应力、表面粗糙度以及表层微观组织等参数对寿命的影响。

现有文献“郑林彬.喷丸残余应力及粗糙度对2024铝合金疲劳寿命影响的仿真与实验研究[D].山东：山东大学，2017”通过数值模拟对影响喷丸强化寿命的影响因素残余应力分布以及粗糙度进行了研究，建立了数值模拟方法，但是没有考虑表层微观组织的影响，而且没有给出寿命准则，不具有工程实用价值。

发明内容

本发明技术解决方案：克服现有技术的不足，提供一种能够综合考虑喷丸强化效果的疲劳寿命预测方法，该方法能够综合考虑喷丸强化之后引发的残余应力、表面粗糙度与表层微观组织的影响，实现对喷丸后结构寿命的准确预测，能够服务与支撑航空发动机涡轮构件喷丸强化处理与寿命预测。

本发明技术解决方案：一种综合考虑喷丸强化效果的疲劳寿命预测方法，结合喷丸强化试验结果与数值模拟结果，将构件喷丸强化之后引起的残余应力分布、表面粗糙度与表层微观组织的影响综合考虑到Sines寿命准则中，对Sines寿命准则进行修正，实现对喷丸强化构件寿命的准确预测，实现步骤如下：

第一步，获取材料表面喷丸强化之后的残余应力、表面粗糙度的数值。可通过开展相应试验件的喷丸强化试验或者进行喷丸强化工艺的有限元仿真进行；试验通过对材料表面进行X射线衍射测量可以测量材料表面的残余应力分布，利用粗糙度测量仪器完成表面粗糙度测量，包括轮廓算术平均偏差Ra与轮廓单元的平均宽度Rsm；利用数值模拟获取参数可以通过ABAQUS软件，建立喷丸冲击强化的代表性体积单元模型，根据试验参数进行数值模拟，获取喷丸强化之后残余应力与表面粗糙度的数值。

第二步，通过X射线衍射方法获取材料喷丸前后衍射线半高宽(FWHM)的变化，衍射线半高宽(FWHM)的变化主要由于材料内部微观残余应力导致，可在一定程度上反映微观残余应力的变化，因此选择衍射线半高宽作为表层微观组织的变化的表征参数。对试验件强化前后分别测量衍射线半高宽数值，记录相应数值变化。

第三步，是将残余应力、表面粗糙度与表层微观组织等因素考虑到广泛使用的Sines寿命准则中。方法是在Sines寿命准则中添加反应残余应力、表面粗糙度与表层微观组织的参数项，其中表面粗糙度处理方式是利用圆形缺口等效，残余应力处理的方式是加入应力中改变应力值，对表层微观组织的影响作出假设，获得考虑残余应力、表面粗糙度、表层微观组织的修正后的Sines寿命准则。

喷丸强化表面的粗糙度按照表面半圆形缺口等效，表面半圆形缺口导致的局部应力集中强度因子K_t计算公式如下：

式中，R_m为表面峰谷值的平均值，S_m为凹凸的平均间隔；

残余应力因素等效为平均应力，计算公式如下：

式中p_m为平均应力，σ_i,a为不同方向应力，σ_i,RS为不同方向的残余应力，R为载荷的应力比。

表层微观组织的变化通过利用衍射线半高宽FWHM来表征，假设表面微观组织变化影响材料参数β_S，满足表达式如下：

β_S＝K[FWHM_SP]ⁿ

式中，FWHM_SP为喷丸后表面材料的半高宽；K、n为材料常数，K通过未喷丸时的β₀和FWHM₀求得，由此得到等效表达式：

式中FWHM₀/FWHM_SP为喷丸前后表面材料的半高宽，β₀/β_s为喷丸前后Sines准则参数，n是材料常数。

分别考虑了喷丸工艺所致粗糙度、残余应力和表层微观组织对疲劳准则的影响，在考虑上述因素影响的情况下，Sines疲劳准则为：

式中α_S、β_S0、n为材料参数，K_t为应力集中系数，σ_ii,a为各个方向应力值，σ_ii,RS为各个方向的残余应力，R是载荷的应力比。

第四步，是根据试验数据拟合获得寿命准则中的材料参数。试验数据是指未强化的光滑试样在不同应力比下疲劳寿命曲线，根据试验数据对α_S、β_S0两个Sines准则的材料参数进行拟合，将拟合结果带入，获得考虑残余应力、表面粗糙度、表层微观组织的修正后的Sines寿命表达式。

第五步，是利用试验数据验证修正后的寿命准则，验证模型的有效性。利用前五步确定的考虑了残余应力、表面粗糙度以及微观组织变化的Sines准则，可以对喷丸之后的试验件进行疲劳寿命进行预测。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明综合考虑了喷丸强化之后对材料产生的多种影响因素，预测更加准确。现有寿命预测方法往往只考虑残余应力的影响，难以准确量化喷丸强化对材料寿命的影响。

(2)本发明基于已有的广泛应用的Sines寿命准则进行修正，在寿命准则中引入修正项，综合考虑喷丸强化之后的多种因素影响。

附图说明

图1为本发明的一种综合考虑喷丸强化效果的疲劳寿命预测方法流程图；

图2为Sines寿命准则参数的拟合结果图；

图3为修正的寿命准则预测结果和试验结果的对比图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明一种综合考虑喷丸强化效果的疲劳寿命预测方法技术方案做进一步说明。

如图1所示，本发明涉及一种综合考虑喷丸强化效果的疲劳寿命预测方法，实现步骤如下：

第一步是获取材料表面喷丸强化之后的残余应力、表面粗糙度的数值。可通过开展相应试验件的喷丸强化试验或者进行喷丸强化工艺的有限元仿真进行。试验可以通过X射线衍射法测量残余应力分布，包括材料表面与内部各个点各个方向的残余应力数值，根据试验结果对测量数据进行拟合，获得应力分布曲线；通过粗糙度检测设备完成表面粗糙度的检测，粗糙度需要包括轮廓算术平均偏差Ra与轮廓单元的平均宽度Rsm。这里选择利用数值模拟获取参数。利用ABAQUS软件，建立喷丸冲击强化的代表性体积单元模型，根据试验参数进行数值模拟。根据试验的喷丸强化参数，选择模拟喷丸强度13.1A，19.0A，28.1A，覆盖率100％的喷丸强化过程，喷丸对象为GH4169平板试验件。根据模拟结果，测量表面单元塑性变形程度，以冲击方向的最大位置差值作为轮廓算术平均偏差Ra，以冲击方向位移为0点之间的距离作为轮廓单元的平均宽度Rsm。输出模拟之后各点的残余应力的数值。由于喷丸强化工艺对金属材料表面性能影响复杂，每个因素均会对材料的疲劳性能产生影响，因此建立的疲劳寿命预测方法时假设喷丸工艺产生的平行于试件表面的残余应力各向相同，且仅平行于试件表面的残余应力会对疲劳寿命产生影响；

第二步是通过X射线衍射方法获取材料喷丸前后衍射线半高宽(FWHM)的变化。衍射线半高宽(FWHM)的变化主要由于材料内部微观残余应力导致，可在一定程度上反映微观残余应力的变化，因此选择衍射线半高宽作为表层微观组织的变化的表征参数。对试验件强化前后分别测量衍射线半高宽数值，记录相应数值变化。

第三步是将残余应力、表面粗糙度、表层微观组织等考虑进Sines寿命准则中，获得考虑残余应力、表面粗糙度、表层微观组织的Sines寿命准则。

Sines准则是基于应力张量的不变量的疲劳准则，形式如下：

σ_VM,a+α_sp_m＝β_s

式中，α_S、β_S为与循环寿命相关的材料参数，可通过两组疲劳曲线获得；σ_VM,a为八面体剪切应力或Von-Mises等效应力幅值；p_m为静水压力均值，满足：

式中，σ_i,a、σ_i,m分别为主应力方向应变幅值和均值，J₂为第二不变量，R为应力比。

在上述准则的基础上，对各个因素考虑如下：

对于表面粗糙度因素，在定量分析粗糙度对疲劳性能的影响时，通常的做法是将其等效为表面半圆形缺口，由此计算由于缺口导致的局部应力集中强度因子K_t：

式中，R_m为表面峰谷值的平均值，S_m为凹凸的平均间隔，均已从第二步中获得。将表面粗糙度因素考虑进寿命准则里面去，得到的表达式为：

K_tσ_VM,a+α_sK_tp_m＝β_s

式中α_S、β_S为与循环寿命相关的材料参数，σ_VM,a为八面体剪切应力或Von-Mises等效应力幅值，p_m为静水压力均值，K_t为等效应力强度因子。

对于残余应力因素，由于疲劳裂纹大多萌生于金属零构件的表面，当表层残余压应力存在时，可显著降低循环加载过程中的局部疲劳载荷，在外加循环载荷的作用下，残余应力可等效为平均应力，残余应力对疲劳产生影响的原因是它改变了加载过程中的平均应力，注意残余应力在三个方向都存在，因此平均应力p_m：

R为载荷的应力比，σ_i,a为各个方向应力值σ_i,RS为不同方向的残余应力，通过第二步数值模拟或者试验测量获得。将表面粗糙度和残余应力考虑进寿命准则里面去，得到的表达式为：

式中α_S、β_S为与循环寿命相关的材料参数，σ_VM,a为八面体剪切应力或Von-Mises等效应力幅值，R为载荷的应力比，σ_i,a为各个方向应力值，σ_i,RS为不同方向的残余应力。

表层微观组织的变化通过利用衍射线半高宽FWHM来表征，数值从第三步中获得。假设表面微观组织变化主要影响材料参数β_S，满足表达式：

β_S＝K[FWHM_SP]ⁿ

式中，FWHM_SP为喷丸后表面材料的半高宽；K、n为材料常数。K可通过未喷丸时的β₀和FWHM₀求得，由此可得到等效表达式：

综上所述，分别考虑了喷丸工艺所致粗糙度、残余应力和表层微观组织对疲劳准则的影响，在考虑上述因素影响的情况下，Sines疲劳准则改写为：

式中α_S、β_S0、n为材料参数，K_t为应力集中系数，σ_ii,a为各个方向应力值，σ_ii,RS为各个方向的残余应力，R是载荷的应力比。

第四步是根据试验数据拟合获得寿命准则中的材料参数。在运用第四步确定的疲劳准则对喷丸材料寿命进行评估前，需首先基于试验数据是指未强化的光滑试样在不同应力比下疲劳寿命曲线结果对α_S、β_S0进行确定。在此采用600℃，应力比R＝0.1、-1两种条件下单轴拉-拉疲劳试验数据对α_S、β_S0参数进行确定，数据来源于《中国高温合金手册》，拟合的结果见附图2，图2是拟合得到的α_S、β_S0随寿命的变化曲线中横坐标是寿命(循环数)，纵坐标是α_S、β_S0。

第五步利用得到的修正的Sines寿命准则对试验件寿命进行预测，预测结果与试验结果对比验证预测方法的有效性。利用前五步确定的Sines准则，可以对喷丸之后的结构进行疲劳寿命进行预测。这里以之前开展的600℃下喷丸后的GH4169平板试件疲劳寿命进行预测。本发明试验试验件类型是喷丸GH4169平板试件，采用应力控制，在电液伺服疲劳试验机上开展低循环疲劳试验，喷丸强度为13.1A、19.0A、28.1A，覆盖率均为100％，试验载荷为1000MPa。利用修正后的模型预测结果和试验结果对比如图3所示，针对三种喷丸强化13.1A，19.0A，28.1A进行了疲劳寿命试验，分别用圆形、方形、三角形在图中标记出来，对三种喷丸条件下寿命按照上述方法进行预测，在图中用直线表示出来，结果表明预测结果准确度很高。

提供以上实施例仅仅是为了描述本发明的目的，而并非要限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求限定。不脱离本发明的精神和原理而做出的各种等同替换和修改，均应涵盖在本发明的范围之内。

Claims (2)

1.一种综合考虑喷丸强化效果的疲劳寿命预测方法，其特征在于，包括步骤如下：

(1)针对欲进行喷丸强化寿命预测的材料结构，获取强化表面喷丸强化之后的残余应力、表面粗糙度的数值；所述残余应力、表面粗糙度的数值通过开展相应材料结构的喷丸强化试验获取或者进行喷丸强化工艺的有限元仿真进行；所述试验获取是通过对材料表面进行X射线衍射测量材料表面的残余应力，利用粗糙度测量仪器完成粗糙度测量；所述有限元仿真是指通过ABAQUS软件，建立喷丸冲击强化的代表性体积单元模型，根据试验参数进行数值模拟，获取喷丸强化之后残余应力与表面粗糙度的数值；

(2)通过X射线衍射方法获取材料喷丸前后衍射线半高宽(FWHM)的变化；所述衍射线半高宽(FWHM)是由材料表层微观组织决定的，在一定程度上反映微观残余应力表层微观组织变化；

(3)将残余应力、表面粗糙度与表层微观组织变化考虑到Sines寿命准则中，添加反应残余应力、表面粗糙度与表层微观组织的参数项，获得修正的Sines寿命准则，该准则中考虑了喷丸强化引起的残余应力、表面粗糙度、表层微观组织的变化；

(4)对步骤(3)获得修正的Sines寿命准则中的未知参数，根据试验数据拟合获得Sines寿命准则中的材料参数，所述试验数据是指未强化的光滑试样在不同应力比下疲劳寿命曲线，所述材料参数是指Sines寿命准则中与材料有关不随外界条件变化而变化的未知参数；

(5)利用得到的修正的Sines寿命准则对喷丸强化后的材料结构寿命进行预测，预测结果与试验结果对比验证预测方法的有效性；所述修正的Sines寿命准则是指考虑了残余应力、表面粗糙度与表层微观组织变化的Sines寿命准则。

2.根据权利要求1所述的一种综合考虑喷丸强化效果的疲劳寿命预测方法，其特征在于：所述步骤(3)中，将残余应力、表面粗糙度与表层微观组织考虑到Sines寿命准则中，添加反应残余应力、表面粗糙度与表层微观组织的参数项的过程具体如下：

喷丸强化表面的粗糙度按照表面半圆形缺口等效，表面半圆形缺口导致的局部应力集中强度因子K_t计算公式如下：

式中，R_m为表面峰谷值的平均值，S_m为凹凸的平均间隔；

残余应力因素等效为平均应力，计算公式如下：

式中，p_m为平均应力，σ_i,a为不同方向应力，σ_i,RS为不同方向的残余应力，R为载荷的应力比；

表层微观组织的变化通过利用衍射线半高宽FWHM来表征，假设表面微观组织变化影响材料参数β_S，满足表达式如下：

β_S＝K[FWHM_SP]ⁿ

式中，FWHM_SP为喷丸后表面材料的半高宽；K、n为材料常数，K通过未喷丸时的β₀和FWHM₀求得，由此得到等效表达式：

式中FWHM₀/FWHM_SP为喷丸前后表面材料的半高宽，β₀/β_s为喷丸前后Sines准则参数，n是材料常数；

分别考虑了喷丸工艺所致粗糙度、残余应力和表层微观组织对疲劳准则的影响，在考虑上述因素影响的情况下，Sines疲劳准则为：

式中α_S、β_S0、n为材料参数，K_t为应力集中系数，σ_ii,a为各个方向应力值，σ_ii,RS为各个方向的残余应力，R是载荷的应力比。