CN111118269A - 一种超声滚压表层微观组织调控方法 - Google Patents

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Abstract

一种超声滚压表层微观组织调控方法，本发明公开了一种对金属材料表面超声滚压强化过程中表层微观组织晶粒细化的调控方法，属于金属材料表面强化技术领域。具体步骤为：一，通过理论计算与数值模拟方法确定超声滚压过程中表层材料发生的应变及应变率范围(102s‑1‑103s‑1数量级)；二，测试待调控材料在相应应变率范围下的真实应力‑真实应变曲线；三，基于不同应变率下的真实应力‑应变曲线，确定发生动态再结晶的临界应变量；四，基于动态再结晶临界应变量，调整材料加工工艺参数，控制材料塑性变形过程中的应变、应变率，实现对材料微观组织晶粒细化的精确调控。

Description

一种超声滚压表层微观组织调控方法
技术领域
本发明属于金属材料表面强化技术领域，特别涉及一种金属材料表面超声滚压过程中表层微观组织晶粒细化的调控方法。
背景技术
机械结构件在服役期间发生的疲劳断裂往往起源于表面，对结构件表面进行改性、强化处理，使结构件表面形貌、应力、组织等发生改变，是提升结构件抗疲劳性能的重要手段。在表面强化技术中，表面滚压获得广泛应用，它是通过塑性变形加工，使结构件表面粗糙度大幅降低、表层引入较大残余压应力并产生晶粒细化效果的一种强化技术。而超声滚压是在普通滚压基础上，增加超声冲击，利用超声冲击的高应变率作用，使材料表层更容易发生塑性变形，超声冲击产生的应力波传递可以进一步改善表层材料组织结构，形成晶粒细化的梯度结构，实现结构件疲劳寿命的进一步提升。
表层晶粒细化是评价表面强化效果的重要指标，实现对强化表层微观组织的精确调控对于表面强化技术有效应用有重要意义。目前对材料强化表层微观组织的调控通常采用工艺试验方法，通过反复调整工艺参数验证表层微观组织的晶粒细化效果，没有考虑导致晶粒细化的再结晶机制及其应变率效应，缺少科学、有效的定量调控方法。而通过材料动态力学性能测试及理论计算，获得材料动态再结晶临界条件，进而调整加工参数、控制加工过程中材料变形的应变、应变率，可以实现对微观组织晶粒细化的精确调控，此方法可以大幅减少工艺试验量，提升强化效果，提高生产效率，节省费用。
发明内容
本发明的目的是提供一种超声滚压表层微观组织精确调控方法，通过理论计算与数值模拟结合的方法获得超声滚压过程中的应变及应变率范围，通过材料动态力学性能测试获得相应应变率下材料的真实应力-应变曲线，通过理论计算获得动态再结晶临界应变量，基于动态再结晶临界应变量，调整超声滚压工艺参数，控制加工过程中材料的应变、应变率，实现表层微观组织晶粒细化的精确调控。
具体地，所述超声滚压表层微观组织精确调控方法步骤如下：
1.采用Abaqus软件对超声滚压过程进行理论计算与数值模拟，分析不同超声滚压参数(超声振幅、滚压力、工件转速、进给速度等)对材料应变ε及应变率
Figure BDA0002330672020000023
的影响规律，并建立关联，同时获得超声滚压过程中有效的应变及应变率范围，其中，材料超声滚压过程中应变率的数量级在102s-1-103s-1范围内。
2.根据超声滚压过程中有效的应变及应变率范围，采用霍普金森压杆实验设备测试工件材料在所述应变率
Figure BDA0002330672020000022
条件下的动态力学性能，获得不同应变率下的真实应力-应变(σT-εT)曲线，其中，测试时需产生足够的应变以使材料发生动态再结晶，即材料真实应力-应变(σT-εT)曲线上表现出较为稳定的流变应力阶段。
3.分别分析不同应变率下的每一条真实应力-应变(σT-εT)曲线，确定流变应力中的峰值应力，对峰值应力前的流变应力阶段进行变硬化率θ(＝dσT/dεT)计算，得到θ-σT曲线；分析θ-σT曲线，计算得到(-dθ/dσT)-σT曲线，确定曲线最小值对应的σT，即
Figure BDA0002330672020000021
为临界应力σC；根据临界应力σC在原始的真实应力-应变曲线上直接读取所对应的真实应变值，即为动态再结晶临界应变εC。从不同应变率下的真实应力-应变(σT-εT)曲线中，得到不同应变率下的动态再结晶临界应变εC。
4.根据不同应变率下的动态再结晶临界应变εC，结合超声滚压数值模拟获得的工艺参数对应变及应变率的影响规律，调整超声滚压工艺参数，控制工件材料变形过程中的应变、应变率，从而实现对表层微观组织晶粒细化的精确调控。
进一步地，还可以考虑不同变形条件下温度对动态再结晶临界应变量εC的影响规律，并建立关联，即测试工件材料在不同温度下的真实应力-应变(σT-εT)曲线，以此获得不同温度下动态再结晶临界应变量εC。
附图说明
图1为不同应变率下的真实应力-应变曲线。
图2为不同变形条件下试样的金相组织形貌。
图3为不同应变率下(-dθ/dσT)-σT曲线。
具体实施方式
本实施例为超高强度钢(45CrNiMoVA)，获得其高应变率下发生动态再结晶的临界应变量，具体步骤及参数如下：
(1)超高强度钢热处理状态为高温淬火(870℃)+低温回火(210℃)，材料组织为回火马氏体为主，加工尺寸为φ2mm×2mm的圆柱试样，进行霍普金森压杆(尺寸为φ5mm)实验，获得高应变率(1300s-1、1500s-1、3000s-1、3500s-1、4000s-1)下的真实应力-应变曲线，如图1所示。
(2)将变形后的试样沿截面抛光，用4％浓度的硝酸酒精腐蚀10s，观察不同变形条件下金相组织变化，如图2所示，在应变率1300s-1、应变0.03条件下，试样金相组织没有明显变化，在应变率3000s-1、应变0.13和应变率4000s-1、应变0.2条件下，试样金相组织出现明显晶粒细化现象，表明在高应变率及大应变条件下材料发生动态再结晶。
(3)高应变率(1300s-1、1500s-1)、低应变(没有达到稳定的流变应力阶段)条件下不能够产生动态再结晶，只分析高应变率(3000s-1、3500s-1、4000s-1)高应变条件下动态再结晶临界条件，3000s-1、3500s-1、4000s-1条件下的真实应力-应变曲线流变应力阶段的峰值应力分别为2206MPa、2223MPa、2162MPa，根据技术方案中的计算方法，不同应变率下(-dθ/dσT)-σT曲线，如图3所示，得到不同应变率下临界应力分别为1693MPa、1976MPa、1838MPa，根据临界应力，分别在原始真实应力-应变曲线上读取动态再结晶临界应变为0.022、0.054、0.040。
(4)根据不同应变率下的动态再结晶临界应变εC，结合通过理论计算与数值模拟所获得的不同超声滚压参数对材料应变ε及应变率
Figure BDA0002330672020000031
的影响规律，调整所述超声滚压参数，控制材料塑性变形过程中的应变、应变率，从而实现对材料微观组织晶粒细化的精确调控。

Claims (2)

1.一种超声滚压表层微观组织调控方法，其特征在于，所述调控方法具体步骤如下：
(1)采用Abaqus软件对超声滚压过程进行理论计算与数值模拟，分析不同超声滚压参数(超声振幅、滚压力、工件转速、进给速度等)对材料应变ε及应变率
Figure FDA0002330672010000012
的影响规律，并建立关联，同时获得超声滚压过程中有效的应变及应变率范围，其中，材料超声滚压过程中应变率的数量级在102s-1-103s-1范围内；
(2)基于步骤(1)获得的应变ε及应变率
Figure FDA0002330672010000016
采用霍普金森压杆实验设备测试工件材料在所述应变率
Figure FDA0002330672010000014
条件下的动态力学性能，获得不同应变率下的真实应力-应变(σT-εT)曲线，其中，测试时需产生足够的应变以使材料发生动态再结晶，即材料真实应力-应变(σT-εT)曲线上表现出较为稳定的流变应力阶段；
(3)根据步骤(2)获得的真实应力-真实应变(σT-εT)曲线，分别确定不同应变率下材料发生动态再结晶的临界应变量εC：确定流变应力中的峰值应力，计算峰值应力前的流变应力阶段对应的应变硬化率θ(＝dσT/dεT)，得到θ-σT曲线，进一步计算得到(-dθ/dσT)-σT曲线，确定曲线最小值对应的σT，即
Figure FDA0002330672010000011
为临界应力σC，通过临界应力σC在所述真实应力-应变(σT-εT)曲线上直接读取所对应的真实应变值，即为动态再结晶临界应变量εC，从不同应变率下的真实应力-应变(σT-εT)曲线中，得到不同应变率下的动态再结晶临界应变εC，所述动态再结晶临界应变量εC小于峰值应力所对应的应变量；
(4)根据步骤(3)中不同应变率下的动态再结晶临界应变量εC，结合步骤(1)中通过理论计算与数值模拟所获得的不同超声滚压参数对材料应变ε及应变率
Figure FDA0002330672010000015
的影响规律，调整所述超声滚压参数，控制材料塑性变形过程中的应变、应变率，从而实现对材料微观组织晶粒细化的精确调控。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过理论计算与数值模拟方法分析不同变形条件下温度对动态再结晶临界应变量εC的影响规律，并建立关联，即测试工件材料在不同温度下的真实应力-应变(σT-εT)曲线，以此获得不同温度下动态再结晶临界应变量εC。
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