CN112329242B - 一种激光喷丸强化处理后材料的疲劳寿命直观评估方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种激光喷丸强化处理后材料服役过程中疲劳寿命的直观评估方法，包括以下过程：S1、建立库文件，库文件中记载有不同阶段表面微塑性变形与残余应力及表面粗糙度的对应关系；S2、在工程结构材料服役期间，通过表面形貌仪或其他表面检测手段对工程结构表面的微塑性形貌进行检测，基于库文件对不同服役阶段的残余应力及粗糙度进行评估；S3、结合残余应力及粗糙度的评估结果，根据激光喷丸处理后裂纹扩展速率模型(a)计算不同阶段的裂纹扩展速率；S4、根据不同阶段的裂纹扩展速率评估材料的疲劳寿命，本发明具有判别直观，易于判断，可有效提高可靠性评估效率的优点，符合工程结构零件高要求的标准。

Description

一种激光喷丸强化处理后材料的疲劳寿命直观评估方法
技术领域
本发明属于机械领域，具体涉及一种激光喷丸强化处理后材料服役过程中疲劳寿命的直观评估方法。
背景技术
激光喷丸强化作为一种新型表面改性技术，具有加载压力高，塑性变形影响程度深，冲击区域、加载压力参数可控，易于自动化等优点，已在工程结构材料表面改性强化领域取得了部分应用。但，由于工程装备工作环境复杂，激光喷丸强化表面质量处于动态变化过程中，激光喷丸强化后结构材料的疲劳寿命随时间不断变化，需对金属结构激光喷丸强化后服役过程中表面质量稳定性及疲劳寿命进行跟踪预测，且当前对激光喷丸强化后材料疲劳寿命的评估主要通过检测残余应力、表面形貌、内部晶相及疲劳实验等手段达成，成本高昂、费时费力，对服役中的结构材料难以做到快速直观的评价。
因此，如何快速直观的跟踪预测工程结构材料激光喷丸强化后服役过程中的表面质量稳定性及疲劳寿命，是本领域技术人员目前需要解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种激光喷丸强化处理后材料服役过程中疲劳寿命的直观评估方法，以解决背景技术中所提出的缺陷或问题。
为实现上述发明目的，本发明的实施例提供一种激光喷丸强化处理后材料服役过程中疲劳寿命的直观评估方法，其特征在于，包括以下过程：
S1、建立库文件，库文件中记载有不同阶段表面微塑性变形与残余应力及表面粗糙度的对应关系；
S2、在工程结构材料服役期间，通过表面形貌仪或其他表面检测手段对工程结构表面的微塑性形貌进行检测，基于库文件对不同服役阶段的残余应力及粗糙度进行评估；
S3、结合残余应力及粗糙度的评估结果，根据激光喷丸处理后裂纹扩展速率模型(a)计算不同阶段的裂纹扩展速率；
S4、根据不同阶段的裂纹扩展速率评估材料的疲劳寿命，达到基于表面塑性变形直观判别工程材料服役过程中疲劳寿命的目的。
进一步的，所述步骤S1中，不同阶段表面微塑性变形与残余应力及表面粗糙度的对应关系库文件通过理论分析、仿真研究及实验模拟的方法确定，库文件中记录了不同材料激光喷丸处理后不同阶段的表面微塑性变形分布，并记录了各阶段相对应的残余应力分布，具体包括以下过程：借助实验及仿真手段，记录疲劳实验过程中m个不同阶段材料表面的三维微塑性变形形貌，记录的节点为循环次数达到N1,N2,N3,…Nm，记录不同节点时微塑性变形形貌与残余应力，并建立相应的对应关系。
进一步的，所述步骤S2中，粗糙度评估的方法，需要结合三维形貌仪检测结果，通过表面轮廓算术平均值σm，
Figure BDA0002766938920000021
式中，lr为取样长度，Z(x)为表面微塑性变形高度，通过表面形貌仪等检测手段获得；轮廓最大高度差Ry，微观不平度十点高度Rz来对激光喷丸处理后的表面情况进行评价描述，
Figure BDA0002766938920000022
Zmax为最大微塑性变形高度，Zmin为最小微塑性变形高度，获得表面粗糙度的分布规律。
进一步的，所述步骤S3中激光喷丸处理后裂纹扩展速率模型(a)为：
Figure BDA0002766938920000023
式中，η为激光喷丸处理后材料的裂纹扩展速率，ΔK3为激光喷丸处理后材料的应力强度因子，
Figure BDA0002766938920000024
C和m是材料参数；
Figure BDA0002766938920000025
σ1max和σ1min是最大和最小外加载荷，a是裂纹长度，Y是几何参数；
Figure BDA0002766938920000026
σres为残余应力，σave为平均加载应力，
Figure BDA0002766938920000031
ρ表示表面结构波谷的有效半径，n为应力状态(n＝1表示应力状态为剪切力，n＝2表示应力状态为拉应力)。
进一步的，所述步骤S3中，评价模型中残余应力的获取是基于库文件中不同阶段微塑性变形与残余应力的对应关系，通过采集不同阶段微塑性变形的分布，进而评估获得的。
本发明的上述技术方案的有益效果如下：本发明的一种基于激光喷丸表面微塑性变形的工程材料服役过程中疲劳寿命直观评估方法，用于预测跟踪预测工程结构材料激光喷丸强化后服役过程中的表面质量稳定性和疲劳寿命，本发明并不仅仅适用于激光喷丸强化，还适合在表面形成强烈的表面处理技术，如机械喷丸等。在实际服役过程中，将复杂的检验检测方法简化为基于激光喷丸微塑性变形的效果评估，有助于实际过程中的直观判断。相比目前所采用的评估方法，本发明的评估方法具有方案直观，易于判断，可有效提高可靠性评估效率的优点，符合工程结构零件高要求的标准。
附图说明
图1为本发明的疲劳寿命直观评估方法的判别流程图；
图2为本发明的实施例中所采用试样的尺寸图；
图3为本发明的实施例中不同阶段的表面微塑性变形图；其中，图3a为应力循环1.5×105次时的表面微塑性变形图；图3b中为应力循环2.7×105次时的表面微塑性变形图；图3c中为应力循环3.8×105次时的表面微塑性变形图。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
本实施例中的一种基于激光喷丸表面微塑性变形的工程材料服役过程中疲劳寿命直观评估方法，主要包括以下步骤，如图1所示：
1.建立库文件，本实施例所采用的靶材为TC4钛合金，加工试样，试样具体尺寸，如图2所示，其基本参数：弹性模量E＝112.5GPa，弹性波波速c0＝5.09km/s，TC4钛合金密度ρ0＝4.5×103kg/m3，合金材料的动态屈服强度σY＝1.34GPa，加工完成后对试样进行激光喷丸强化，所采用激光功率密度为3.02GW/cm2，脉冲宽度为20ns，光斑直径2.5mm，搭接率分别为50％，作用次数为1次，处理后对靶材施加循环交变应力进行疲劳实验，交变应力为0-300MPa，记录总疲劳寿命、不同阶段对应的表面微塑性变形图和平均残余应力，总疲劳寿命为6.8×105次，应力循环1.5×105次时，对应的平均残余应力为-448MPa；应力循环2.7×105次时，对应的平均残余应力为-327MPa；应力循环3.8×105次时，对应的平均残余应力为-159MPa。
2.在实际评估中，采集相对应时间段表面微塑性形貌，图3为采集的表面微塑性变形图(图3a中，应力循环1.5×105次；图3b中，应力循环2.7×105次；图3c中，应力循环3.8×105次)，与库文件已存储的微塑性形貌图进行对比，从而直接获得相对应的表面平均残余应力，并借助步骤S2的粗糙度模型评估表面形貌参数，循环次数为1.5×105次表面轮廓算术平均值Ra为3.19μm，轮廓最大高度差Ry为4.270μm，微观不平度十点高度Rz为2.23μm，相对应的表面平均残余应力为-448MPa；循环次数为2.7×105次表面轮廓算术平均值Ra为4.26μm，轮廓最大高度差Ry较小为7.020μm，微观不平度十点高度Rz为5.17μm，相对应的平均残余应力为-327MPa；循环次数为3.8×105次时表面轮廓算术平均值Ra增大为5.78μm，轮廓最大高度差Ry增大为9.560μm，微观不平度十点高度Rz增大为6.89μm，相对应的平均残余应力为-159MPa，上述不同阶段表面微塑性变形图，对应的表面粗糙度、残余应力均存储于库文件中。
3.基于对比库文件所得出平均残余应力结果及粗糙度评估结果，根据裂纹扩展速率模型计算不同阶段对应的裂纹扩展速率，循环次数为1.5×105次时裂纹扩展速率为1.3×10-5mm/次；循环次数为2.7×105次时，裂纹扩展速率为2.6×10-4mm/次；循环次数为3.8×105次时，裂纹扩展速率为1.7×10-3mm/次，最后根据裂纹扩展速率即可评估材料剩余疲劳寿命，在现有技术中，可知关于材料剩余疲劳寿命与裂纹扩展速率之间的关系，因此，从求出的裂纹扩展速率，可以直观的得到材料剩余疲劳寿命。具体的，在本实施例中的，不同循环次数所对应的裂纹扩展速率及材料剩余疲劳寿命之间的关系，如下表1所示：
表1不同循环次数时，裂纹扩展速率及材料剩余疲劳寿命的情况表
项目 循环次数(次) 裂纹扩展速率(mm/次) 材料剩余疲劳寿命(次)
1 1.5×10<sup>5</sup> 1.3×10<sup>-5</sup> 5.3×10<sup>5</sup>
2 2.7×10<sup>5</sup> 2.6×10<sup>-4</sup> 4.1×10<sup>5</sup>
3 3.8×10<sup>5</sup> 1.7×10<sup>-3</sup> 3×10<sup>5</sup>
。
对于前述的实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本申请并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本申请，某些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (3)

1.一种激光喷丸强化处理后材料服役过程中疲劳寿命的直观评估方法，其特征在于，包括以下过程：
S1、建立库文件，库文件中记载有不同阶段表面微塑性变形与残余应力及表面粗糙度的对应关系；
S2、在工程结构材料服役期间，通过表面形貌仪对工程结构表面的微塑性形貌进行检测，基于库文件对不同服役阶段的残余应力及粗糙度进行评估；所述步骤S2中，粗糙度评估的方法，需要结合三维形貌仪检测结果，通过表面轮廓算术平均值Ra，
Figure FDA0003473202750000011
式中，lr为取样长度，Z(x)为表面微塑性变形高度，通过表面形貌仪获得；轮廓最大高度差Ry，微观不平度十点高度Rz来对激光喷丸处理后的表面情况进行评价描述，Ry＝|Zmax-Zmin|，
Figure FDA0003473202750000012
Zmax为最大微塑性变形高度，Zmin为最小微塑性变形高度，获得表面粗糙度的分布规律；
S3、结合残余应力及粗糙度的评估结果，根据激光喷丸处理后裂纹扩展速率模型a计算不同阶段的裂纹扩展速率；
该步骤S3中激光喷丸处理后裂纹扩展速率模型a为：
Figure FDA0003473202750000013
式中，η为激光喷丸处理后材料的裂纹扩展速率，ΔK3为激光喷丸处理后材料的应力强度因子，
Figure FDA0003473202750000021
C和m是材料参数；
Figure FDA0003473202750000022
σ1max和σ1min是最大和最小外加载荷，a是裂纹长度，Y是几何参数；
Figure FDA0003473202750000023
σres为残余应力，σave为平均加载应力，
Figure FDA0003473202750000024
ρ表示表面结构波谷的有效半径，n为应力状态，其中，n＝1表示应力状态为剪切力，n＝2表示应力状态为拉应力；
S4、根据不同阶段的裂纹扩展速率评估材料的疲劳寿命，达到基于表面塑性变形直观判别工程材料服役过程中疲劳寿命的目的。
2.根据权利要求1所述的一种激光喷丸强化处理后材料服役过程中疲劳寿命的直观评估方法，其特征在于，所述步骤S1中，不同阶段表面微塑性变形与残余应力及表面粗糙度的对应关系库文件通过理论分析、仿真研究及实验模拟的方法确定，库文件中记录了不同材料激光喷丸处理后不同阶段的表面微塑性变形分布，并记录了各阶段相对应的残余应力分布，具体包括以下过程：借助实验及仿真手段，记录疲劳实验过程中m个不同阶段材料表面的三维微塑性变形形貌，记录的节点为循环次数达到N1,N2,N3,…Nm，记录不同节点时微塑性变形形貌与残余应力，并建立相应的对应关系。
3.根据权利要求1所述的一种激光喷丸强化处理后材料服役过程中疲劳寿命的直观评估方法，其特征在于，所述步骤S3中，评价模型中残余应力的获取是基于库文件中不同阶段微塑性变形与残余应力的对应关系，通过采集不同阶段微塑性变形的分布，进而评估获得的。
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