CN114492122A - 一种数值表征喷丸处理材料表层应变硬化梯度的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种数值表征喷丸处理材料表层应变硬化梯度的方法，解决现有方法存在不能准确表征喷丸后材料应变硬化梯度的不足之处。本发明将喷丸导致的应变硬化分为等向硬化和随动硬化，综合考虑材料的力学行为、塑性变形历史以及与残余应力的关系。本发明可以将喷丸处理的材料的应变硬化梯度特征完整地表征出来，包括其标量特性(残余等向硬化)和张量特性(残余随动硬化)，进而可以更准确地描述结构的力学行为。
Description
技术领域
本发明属于材料性能表征技术领域，涉及一种数值表征喷丸处理的材料表层应变硬化梯度的方法。
背景技术
现代高端工业制造对机械零部件的抗疲劳性能、安全性和可靠性提出了很高的要求。基于表面机械强化的抗疲劳制造技术可以在基本不改变机体形状的前提下，在金属材料表层引入残余压应力，有效抑制疲劳裂纹萌生和扩展，大幅提高材料的疲劳性能。
表面喷丸强化由于操作简便、成本低廉、延长疲劳寿命显著等优点而成为航空航天、车辆船舶等领域广泛应用的表面强化技术之一。然而，表面喷丸强化通过严重塑性变形在材料表层引入残余压应力的同时会不可避免地产生应变硬化梯度，显著影响材料的疲劳行为和性能。喷丸产生的应变硬化梯度一方面会使得材料在处理表面附近有明显的梯度硬化特征，导致整体结构产生显著的循环强化效应；另一方面会改变材料的循环塑性行为，影响材料的残余应力松弛和疲劳裂纹扩展。
残余应力对材料疲劳性能的作用机理已经被广泛研究，考虑残余应力作用的材料疲劳裂纹萌生、裂纹扩展和寿命预测的模型已经成功应用于机械零部件的抗疲劳设计。然而，关于喷丸应变硬化梯度对材料低周疲劳裂纹扩展的影响尚存在争议。
传统的方法中，主要利用X射线衍射、电子背散射衍射(EBSD)或者压痕法表征应变硬化梯度，将喷丸导致的应变硬化表征为累积塑性应变(Soady,K.A.,Mellor,B.G.,West,G.D.,Harrison,G.,Morris,A.,Reed,P.A.S.,2013.Evaluating surface deformationand near surface strain hardening resulting from shot peening a temperedmartensitic steel and application to low cycle fatigue.Int.J.Fatigue 54,106–117)或者等效塑性应变(Goulmy,J.P.,Kanoute,P.,Rouhaud,E.,Toualbi,L.,Kruch,S.,Boyer,V.,Badreddine,J.,Retraint,D.,2021.A calibration procedure for theassessment of work hardening Part II:Application to shot peened IN718parts.Mater.Charact.175,111068)。然而，这些方法仅仅考虑材料变形的标量特性，并未考虑应变硬化的张量特性。有部分研究考虑随动硬化的影响，然而并未将随动硬化与材料在喷丸处理过程中的塑性历史相关联(W.D.Musinski,D.L.McDowell,2015.On theeigenstrain application of shot-peened residual stresses within a crystalplasticity framework:Application to Ni-base superalloy specimens,Int.J.Mech.Sci.100,195–208.)，仍然无法准确的表征喷丸后材料的应变硬化梯度。
鉴于此，能够准确表征喷丸后材料的应变硬化梯度，对于精确预测材料的力学行为和疲劳强度具有重要意义，对于提高喷丸结构产品的经济性、可靠性和安全性，实现机械零部件的抗疲劳设计具有十分重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于解决现有方法存在不能准确表征喷丸后材料应变硬化梯度的不足之处，而提供一种数值表征喷丸处理材料表层应变硬化梯度的方法，不仅能够表征应变硬化梯度的标量特性，还能够表征其张量特性，作为量化评估喷丸处理材料力学行为的基础。
本发明的发明构思：
本发明考虑到喷丸导致的应变硬化梯度很显著，然而目前的表征方法中均仅考虑材料变形的标量特性(残余等向硬化)，未考虑应变硬化的张量特性(残余随动硬化)，并不能达到准确表征的效果，而随动硬化作为一个张量，其对喷丸后材料的力学行为也存在显著影响，但其通过实验方法很难表征。在探索过程中，本发明发现在力学框架下，不考虑剪切分量，随动硬化与残余应力之间公式(1)关系，基于此，拟通过数值模拟的方法，模拟材料在这种喷丸处理条件下的塑性变形行为，进而获得这三个参数
的分布；然后根据残余应力的分布和残余等向硬化的分布应用公式(3)将残余随动硬化的分布表征出来(此文“残余”代表是喷丸处理造成的)，最后，将残余等向硬化的分布与残余随动硬化的分布进行结合，用于精确表征喷丸处理材料表层应变硬化梯度。本发明中默认材料在该种喷丸处理下，在塑性影响层三个参数的分布函数保持不变，当然即使发生变化，本方法仍然适用。
为实现上述目的，本发明所提供的技术解决方案是：
一种数值表征喷丸处理材料表层应变硬化梯度的方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
1)建立能够描述材料塑性硬化行为的本构模型，所述本构模型中材料硬化包括等向硬化和随动硬化；
2)根据步骤1)建立的本构模型建立数值模型，并模拟喷丸处理过程中材料内部的塑性变形历史；
3)提取步骤2)模拟结果中的残余应力场、残余累积塑性应变以及残余随动硬化，并依据公式(1)计算随动硬化参数
其中，参数θ*和参数
须满足公式(2)：
式中，
是表征残余随动硬化的参数；
分别是喷丸处理材料残余应力的偏量，单位是MPa；
分别是喷丸处理材料残余随动硬化的偏量，单位是MPa；下角标“1”、“2”、“3”分别代表空间坐标系的三个坐标轴；此发明中未考虑残余应力和残余随动硬化的剪切分量；
Rrs是喷丸处理材料的残余等向硬化，与残余累积塑性应变相关，k是未喷丸材料的初始屈服应力；
4)依据步骤3)的结果，分析并建立数学关系描述随动硬化参数
沿深度方向的分布；
5)利用步骤4)得到的随动硬化参数
沿深度方向的分布以及预先建立的残余应力在喷丸处理材料内部的分布、和计算得到的残余等向硬化的分布，应用公式(3)计算得到喷丸处理后材料在塑性影响层残余随动硬化的分布；
6)将所述残余等向硬化的分布以及步骤5)得到的残余随动硬化的分布进行结合，表征喷丸处理材料表层应变硬化梯度。
进一步地，步骤5)中，所述残余应力在喷丸处理材料内部的分布按照以下方式建立：
首先实验测得喷丸处理材料内部残余应力，然后基于应力平衡条件和边界条件建立残余应力在喷丸处理材料内部的分布。
进一步地，步骤5)中，所述残余等向硬化的分布按照以下方式得到：
基于实验或数值方法确定塑性影响层深度，根据模拟或试验测试的方法建立数学关系描述残余累积塑性应变沿深度方向的分布；
根据材料在服役条件下的载荷情况需要建立新的本构模型，该本构模型能够描述材料在考核服役条件下的力学行为；
利用所述残余累积塑性应变沿深度方向的分布以及所述新的本构模型，计算得到残余等向硬化的分布。
本发明的优点是：
1.本发明将喷丸导致的应变硬化分为等向硬化和随动硬化，综合考虑材料的力学行为、塑性变形历史以及与残余应力的关系，提出了一种数值表征应变硬化梯度的方法，为评估和研究喷丸处理材料的力学行为提供了一种途径。
2.通过本发明的方法，可以将喷丸处理的材料的应变硬化梯度特征完整地表征出来，包括其标量特性(残余等向硬化)和张量特性(残余随动硬化)，进而可以更准确地描述结构的力学行为，为精确评估和预测机械结构在服役期间的产品寿命做铺垫，对于提高喷丸结构产品的经济性、可靠性和安全性，实现机械零部件的抗疲劳设计具有十分重要的意义。
附图说明
图1为本发明方法的流程图；
图2为重构的残余应力在结构内部的分布；
图3为单向拉伸真实应力-塑性应变曲线：实验与建模模拟的对比；
图4为喷丸过程模拟；
图5为在塑性影响区参数
沿深度方向的分布(不同形状的标记分别代表弹丸撞击数量：25(○)，50(*)，75(◇)，100(☆))；
图6为残余累积塑性应变沿深度方向的分布；
图7为拟合的参数δ*沿深度方向的分布(不同形状的标记分别代表弹丸撞击数量：25(○)，50(*)，75(◇)，100(☆))；
图8为重构的随动硬化沿深度方向的分布。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步的详细描述：
选取奥氏体不锈钢316L圆柱形试样为此实例的研究对象，选取某一种条件进行喷丸处理。此例中，本发明采用超声喷丸处理，具体实验步骤和方法可参考文献(Zhou，J.，Sun，Z.，Kanouté，P.，Retraint，D.，2018b.Reconstruction of residual stress andwork hardening and their effects on the mechanical behaviour of a shot peenedstructure.Mech.Mater.127，100-111.)。
本发明的一种数值表征喷丸处理材料表层应变硬化梯度的方法，包括以下步骤：
1)建立一个能够描述材料塑性硬化行为的本构模型，该本构模型中包含等向硬化和随动硬化。
本实例中基于材料的单向拉伸曲线，建立一个经典的本构模型，见附表1(参考文献：Chaboche，J.-L.，Kanouté，P.，Azzouz，F.，2012.Cyclic inelastic constitutiveequations and their impact on the fatigue life predictions.Int.J.Plast.35，44-66.)，得到本构模型参数见附表2，实验和模拟曲线对比见附图3；在实际应用中，须根据工况建立合适的能够描述材料力学行为的模型。
表1.一个经典的等向硬化/随动硬化本构模型。
表2.本构模型参数
2)根据步骤1)的本构模型建立有限元模型(即数值模型)，模拟材料在喷丸过程中的塑性变形历史以及喷丸处理后的应变硬化的分布情况(参考文献：Zhang，Y.，Proust，G.，Retraint，D.，Wang，H.，Gan，Y.，2021.Predicting mechanical properties of 316Lstainless steel subjected to SMAT：A sequential DEM-FEM investigation.Int.J.Mech.Sci.193，106173.)。
此实例中本发明采用圆柱形试样，为阐释本发明，在试样表面采取代表性区域，其中提取代表性区域中心的单元积分点数据作为分析的依据(也可根据情况，选取某一代表性局部区域，提取相同深度处单元积分点数据求平均值，作为相应深度分析的数据)。模拟弹丸以一定速度垂直于试样表面随机地撞击在代表性区域中，实例中垂直于试样表面的撞击速度选取为2.5m/s和5m/s以近似模拟喷丸处理过程。建立的喷丸有限元模型见图4。
3)在步骤2)的模拟计算结果中提取残余应力、残余等向硬化和残余随动硬化，并依据公式(1)计算残余随动硬化参数
沿深度方向的分布，计算分布见附图5；
4)依据附图5，建立数学关系描述随动硬化参数
沿深度方向的分布。此实例中，本发明采用数学公式(8)描述参数δ*在塑性影响区沿深度方向的分布。其中，d是深度，d′是塑性影响层的深度，δ′、δmax、a、ω、β是参数。根据图5拟合的结果分别为：a＝1.07，ω＝4，β＝0.59，δ′＝0.14，δmax＝0.71，拟合结果见图7。同时，假设θ*和
近似在塑性影响层恒定，值分别取为1.12和2.705。
5)基于X射线衍射和电解抛光技术测量得到材料残余应力沿深度方向的分布，并基于应力平衡和边界条件建立残余应力沿深度方向的分布函数,见附图2所示。(参考文献：Zhou,J.,Sun,Z.,Kanouté,P.,Retraint,D.,2018b.Reconstruction of residual stressand work hardening and their effects on the mechanical behaviour of a shotpeened structure.Mech.Mater.127,100–111.)。
6)基于实验或数值方法确定塑性影响层深度，并拟合建立残余累积塑性应变沿深度的分布。此实例中，本发明采用参考文献(Zhou J,Sun Z,KanoutéP,RetraintD.Reconstruction of residual stress and work hardening and their effects onthe mechanical behaviour of a shot peened structure.Mech Mater 2018；127:100–11)中的方法，确定塑性影响层深度为0.68mm，在喷丸试样表面处残余累积塑性应变的值取用为1，建立残余累积塑性应变沿深度方向的分布如图6。在此实施例中本发明定义一个假设的表面累积塑性应变值，实际上，该值需要根据实际的塑性变形确定。
7)根据材料在服役条件下的载荷情况需要建立相应的本构模型，该本构模型应能够描述材料在考核服役条件下的力学行为；
此实例中采用参考文献(Zhou J,Sun Z,Kanouté P,Retraint D.Reconstructionof residual stress and work hardening and their effects on the mechanicalbehaviour of a shot peened structure.Mech Mater 2018；127:100–11.)中的本构模型，本构模型和相关参数请查阅查考文献。
8)利用步骤6)得到的残余累积塑性应变沿深度方向的分布以及步骤7)建立的本构模型，计算得到残余等向硬化的分布。此处可参考文献(Zhou J,Sun Z,Kanouté P,Retraint D.Reconstruction of residual stress and work hardening and theireffects on the mechanical behaviour of a shot peened structure.Mech Mater2018；127:100–11.)
9)利用步骤4)得到的随动硬化参数
沿深度方向的分布、步骤5)建立的残余应力在喷丸处理材料内部的分布、以及步骤8)计算得到的残余等向硬化的分布，应用公式(3)计算得到喷丸处理后材料在塑性影响层残余随动硬化的分布，见图8。
10)将步骤8)计算得到的残余等向硬化的分布以及步骤9)计算得到的残余随动硬化的分布进行结合，便可精确表征喷丸处理材料表层应变硬化梯度。
将残余随动硬化分布与残余应力分布和残余累积塑性应变分布在机械结构的评估模型中重构即可评估喷丸后材料在服役条件下的力学行为，如拉伸行为、循环强化效应、残余应力松弛、裂纹扩展、疲劳寿命等。重构方法可查阅参考文献(Zhou J,Sun Z,KanoutéP,Retraint D.Reconstruction of residual stress and work hardening and theireffects on the mechanical behaviour of a shot peened structure.Mech Mater2018；127:100–11.)。
本实例中步骤1)中建立的一般的本构模型目的是研究残余随动硬化参数
的分布情况，步骤7)中采用新的本构模型是为能够描述材料在考核服役条件下的力学行为。理想情况下，步骤1)与步骤7)可采用相同的本构模型，但前提是步骤1)中建立的本构模型能够描述材料在考核服役条件下的力学行为。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明公开的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种数值表征喷丸处理材料表层应变硬化梯度的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)建立能够描述材料塑性硬化行为的本构模型，所述本构模型中材料硬化包括等向硬化和随动硬化；
2)根据步骤1)建立的本构模型建立数值模型，并模拟喷丸处理过程中材料内部的塑性变形历史；
3)提取步骤2)模拟结果中的残余应力场、残余累积塑性应变以及残余随动硬化，并依据公式(1)计算随动硬化参数
其中，参数θ*和参数
须满足公式(2)：
式中，
是表征残余随动硬化的参数；
分别是喷丸处理材料残余应力的偏量，单位是MPa；
分别是喷丸处理材料残余随动硬化的偏量，单位是MPa；下角标“1”、“2”、“3”分别代表空间坐标系的三个坐标轴；此处未考虑残余应力和残余随动硬化的剪切分量；
Rrs是喷丸处理材料的残余等向硬化，与残余累积塑性应变相关，k是未喷丸材料的初始屈服应力；
4)依据步骤3)的结果，分析并建立数学关系描述随动硬化参数
沿深度方向的分布；
5)利用步骤4)得到的随动硬化参数
沿深度方向的分布以及预先建立的残余应力在喷丸处理材料内部的分布、和计算得到的残余等向硬化的分布，应用公式(3)计算得到喷丸处理后材料在塑性影响层残余随动硬化的分布；
6)将所述残余等向硬化的分布以及步骤5)得到的残余随动硬化的分布进行结合，表征喷丸处理材料表层应变硬化梯度。
2.根据权利要求1所述数值表征喷丸处理材料表层应变硬化梯度的方法，其特征在于：
步骤5)中，所述残余应力在喷丸处理材料内部的分布按照以下方式建立：
首先实验测得喷丸处理材料内部残余应力，然后基于应力平衡条件和边界条件建立残余应力在喷丸处理材料内部的分布。
3.根据权利要求1或2所述数值表征喷丸处理材料表层应变硬化梯度的方法，其特征在于：
步骤5)中，所述残余等向硬化的分布按照以下方式得到：
基于实验或数值方法确定塑性影响层深度，根据模拟或试验测试的方法建立数学关系描述残余累积塑性应变沿深度方向的分布；
根据材料在服役条件下的载荷情况需要建立新的本构模型，该本构模型能够描述材料在考核服役条件下的力学行为；
利用所述残余累积塑性应变沿深度方向的分布以及所述新的本构模型，计算得到残余等向硬化的分布。
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| CN202210058590.8A CN114492122B (zh) | 2022-01-12 | 2022-01-12 | 一种数值表征喷丸处理材料表层应变硬化梯度的方法 |
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| CN111651921A (zh) * | 2020-06-02 | 2020-09-11 | 重庆大学 | 一种基于材料真实状态的喷丸强化表面完整性参数预测方法 |
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Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| 周文龙;吕成;李烨;何声馨;: "喷丸强度对316不锈钢表面完整性及疲劳寿命的影响", 表面技术, no. 07, 20 July 2020 (2020-07-20) * |
| 朱鹏飞;严宏志;陈志;伊伟彬;吴顺兴;: "齿轮齿面喷丸强化研究现状与展望", 表面技术, no. 04, 20 April 2020 (2020-04-20) * |
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