一种钛合金喷丸强化残余压应力场的预测方法技术

本发明专利技术涉及一种钛合金喷丸强化残余压应力场的预测方法，该方法系基于特征参数和余弦衰减函数而预测钛合金喷丸强化残余压应力场，其主要步骤为：1确定喷丸强化残余压应力场特征参数模型，2确定喷丸强化残余压应力场余弦衰减函数模型，3确定残余压应力场控制因子与喷丸强化工艺参数关系模型，4选择喷丸强化工艺参数并进行编码，5设计试验方案，进行喷丸强化试验，6残余压应力场测试，7求解残余压应力场特征参数模型，8求解残余压应力场控制因子等。本发明专利技术以喷丸强化工艺参数为输入条件，通过模型系数求解，即可获得该喷丸强化工艺参数下的残余压应力沿表面下深度分布情况，该预测方法简单可靠，预测速度快、准确度高，免去了大量繁琐的试验，规避了有限元法和物理解析法的困难，适用于广大工程技术人员。

A prediction method of residual stress field for shot peening of titanium alloy

The invention relates to a stress field of titanium alloy by shot peening residual prediction method, the method of characteristic parameters and cosine attenuation function based on the prediction of residual stress of titanium alloy by shot peening, the main steps are as follows: 1 to determine the residual stress characteristic parameter model of stress field of shot peening, residual stress attenuation function model to determine the 2 force a cosine peening, 3 to determine the residual stress field control factor and the shot peening parameters model, 4 shot peening parameters and encoding, 5 design, 6 were shot peening residual stress test, field test, 7 for residual stress characteristic parameter model of stress field, 8 solution of residual stress field control factor. The shot peening parameters as input conditions, the model coefficients, residual parameters of shot peening strengthening the stress along the depth distribution of surface can be obtained, the prediction method is simple and reliable prediction of high speed and accuracy, eliminates the tedious test, to avoid the finite element method and physical analysis the difficulty for the engineering and technical personnel.

【技术实现步骤摘要】
一种钛合金喷丸强化残余应力场的预测方法
本专利技术属于金属材料表面喷丸强化的
，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应力场的预测方法。
技术介绍
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应力场分布，从而提高构件的疲劳性能。喷丸强化残余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应力场进行了试验研究，把喷丸强化残余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应力场，但并没有建立喷丸强化工艺参数与残余应力场的关系模型。
技术实现思路
本专利技术是针对上述现有喷丸强化技术中残余应力场控制困难、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应力场的预测方法，实现对钛合金喷丸强化残余应力场的预测，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应力场的关系模型，解决根据残余应力场的需求，合理确定喷丸强化工艺参数。本专利技术采用的技术方案如下：本专利技术系基于特征参数和余弦衰减函数的钛合金喷丸强化残余应力场的预测，其按如下步骤进行：步骤1：确定喷丸强化残余应力场特征参数模型将钛合金材料的表面残余压应力σsrs、最大残余压应力σmcrs、最大残余压应力距表面距离Zm、残余应力场深度Z0，作为表征残余压应力场的四个特征参数，并用二次多项式模型表征残余应力场特征参数与喷丸强化工艺参数的关系。式中，cii是工艺参数系数；X1，X2为喷丸强度和覆盖率的编码值。步骤2：确定喷丸强化残余应力场余弦衰减函数模型喷丸强化残余压应力场曲线与欠阻尼的质量-弹簧系统的衰减振动类似，因此提出用余弦衰减函数对残余压应力曲线进行描述。σ(h)＝Ae-λhcos(ωdh+θ)式中，σ为残余应力；h为表面下深度；A为残余应力初始值；λ为衰减系数，决定着残余应力场衰减到稳定值附近的快慢程度；ωd为振动系统的固有角频率，决定着残余压应力峰值的锐利程度，频率越大，残余压应力峰值越尖锐；θ为初始相角。[A，λ，ωd，θ]定义为残余应力场控制因子。步骤3：确定残余应力场控制因子与喷丸强化工艺参数关系模型不同喷丸强化工艺参数下获得的残余应力场不同，当弹丸和机床条件一定时，喷丸强化残余应力场的分布主要取决于喷丸强度和表面覆盖率。因此建立残余应力场控制因子与喷丸强度和覆盖率的二次多项式关系模型。式中，miX是工艺参数X对残余应力场控制因子i的影响(或交互影响)因子。步骤4：选择喷丸强化工艺参数并进行编码选取喷丸强度和表面覆盖率作为自变量，并进行编码。X1＝(fA-fA0)/(fA+1-fA0)X2＝(C-C0)/(C+1-C0)式中，fA，C为喷丸强度和覆盖率的实际值；fA0，C0为编码值0处的实际值；fA+1，C+1为编码值+1处的实际值。步骤5：设计试验方案，进行喷丸强化试验根据喷丸强度和覆盖率的编码值，根据可旋转外切中心复合响应曲面法进行试验设计，并完成喷丸强化试验。步骤6：残余应力场测试采用X射线衍射法对不同喷丸强化工艺参数下的残余应力进行测量，为了获得残余应力沿表面下深度分布，使用电解抛光机沿试样表面法向对试样进行腐蚀剥层，每次剥层后再测量残余应力，记录剥层深度及相应层深处的残余应力数据，直至残余应力数据达到稳定状态。步骤7：求解残余应力场特征参数模型分析步骤6中得到的数据，绘制残余应力沿表面下深度变化曲线，提取残余应力场特征参数，采用多元线性回归分析求解残余应力场特征参数与喷丸强化工艺参数的关系模型。步骤8：求解残余应力场控制因子根据步骤7中绘制的残余应力沿表面下深度分布曲线，基于最小二乘法，采用步骤2中的余弦衰减函数拟合该曲线，得到不同喷丸强化工艺参数下的残余应力场控制因子。为了提高数据拟合的精度，在拟合前对测得的表面下深度数据和残余应力数据分别进行归一化处理，将其转换为无量纲的量。式中，σ归一为归一化后残余应力；h归一为归一化后表面下深度；σ实际为实际残余应力；h实际为实际表面下深度；σmin和σmax为实际残余应力最小值和最大值；hmin和hmax为实际表面下深度最小值和最大值。步骤9：求解残余应力场控制因子与喷丸强化工艺参数关系模型采用多元线性回归分析求解残余应力场本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种钛合金喷丸强化残余应力场的预测方法，其特征在于：该预测方法系基于特征参数和余弦衰减函数而预测钛合金喷丸强化残余应力场的，其步骤如下：步骤1：确定喷丸强化残余应力场特征参数模型将钛合金材料的表面残余压应力σ

【技术特征摘要】
1.一种钛合金喷丸强化残余应力场的预测方法，其特征在于：该预测方法系基于特征参数和余弦衰减函数而预测钛合金喷丸强化残余应力场的，其步骤如下：步骤1：确定喷丸强化残余应力场特征参数模型将钛合金材料的表面残余压应力σsrs、最大残余压应力σmcrs、最大残余压应力距表面距离Zm、残余应力场深度Z0，作为表征残余压应力场的四个特征参数，并用二次多项式模型表征残余应力场特征参数与喷丸强化工艺参数的关系；式中，cii是工艺参数系数；X1，X2为喷丸强度和覆盖率的编码值；步骤2：确定喷丸强化残余应力场余弦衰减函数模型喷丸强化残余压应力场曲线与欠阻尼的质量-弹簧系统的衰减振动类似，因此提出用余弦衰减函数对残余压应力曲线进行描述；σ(h)＝Ae-λhcos(ωdh+θ)式中，σ为残余应力；h为表面下深度；A为残余应力初始值；λ为衰减系数，决定着残余应力场衰减到稳定值附近的快慢程度；ωd为振动系统的固有角频率，决定着残余压应力峰值的锐利程度，频率越大，残余压应力峰值越尖锐；θ为初始相角；[A，λ，ωd，θ]定义为残余应力场控制因子；步骤3：确定残余应力场控制因子与喷丸强化工艺参数关系模型二者的关系模型如下：式中，miX是工艺参数X对残余应力场控制因子i的影响(或交互影响)因子；步骤4：选择喷丸强化工艺参数并进行编码选取喷丸强度和表面覆盖率作为自变量，并进行编码。X1＝(fA-fA0)/(fA+1-fA0)X2＝(C-C0)/(C+1-C0)式中，fA，C为喷丸强度和覆盖率的实际值；fA0，C0为编码值0处的实际值；fA+1，C+1为编码值+...

【专利技术属性】
技术研发人员：谭靓，姚倡锋，张定华，任军学，田荣鑫，周征，张吉银，傅新强，周菲，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61