一种喷丸工艺诱导金属表面晶粒细化尺寸梯度分布的方法技术

本发明专利技术公开了一种喷丸工艺诱导金属表面晶粒细化尺寸梯度分布的方法，利用有限元仿真建立喷丸工艺参数与金属零件的等效塑性应变的关系；利用XRD衍射法检测金属零件表层的表层晶粒尺寸，通过光学显微镜检测金属零件的原始晶粒尺寸，通过表层晶粒尺寸与原始晶粒尺寸之间的差异建立晶粒尺寸分布与金属零件发生等效塑性应变厚度的线性分布关系；利用等效塑性应变与晶粒尺寸分布的反比关系，建立喷丸工艺参数与晶粒尺寸分布的分布模型；本发明专利技术能够反映喷丸工艺参数与晶粒尺寸分布之间的关系，不需要进行反复的剥层，解决了传统剥层法的逐点的利用XRD去测量厚度上个点的晶粒尺寸，试验周期长，测量效果差，对晶粒尺寸有要求且无法测量大尺寸晶粒的问题。法测量大尺寸晶粒的问题。法测量大尺寸晶粒的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种喷丸工艺诱导金属表面晶粒细化尺寸梯度分布的方法


[0001]本专利技术属于喷丸工艺下金属内部晶粒尺寸分布的
，具体涉及一种喷丸工艺诱导金属表面晶粒细化尺寸梯度分布的方法。

技术介绍

[0002]金属材料的力学性能与晶粒尺寸密切相关，一般对多晶体材料来说，晶粒尺寸越小，材料的强度越高，而塑性能力越差。为了获得比较好的强塑性匹配，即材料的屈服强度提升明显，而塑性不至于下降很多，研究人员提出了梯度结构材料这一概念。梯度结构材料是指通过材料晶粒尺寸从表面导内部呈现一定的梯度过渡分布，越接近金属表面，晶粒尺寸越小，甚至达到纳米晶，逐步达到材料内部的原始粗大晶粒，这样，材料在受拉时，表面层细化的晶粒明显提升了整个材料的屈服强度，内部粗大晶粒保持了相当部分的塑性变形，实现了材料强塑性匹配。
[0003]凡是可以使得工件发生剧烈塑性变形，都可以使得材料晶粒发生细化，形成超细晶层甚至纳米晶层。而喷丸工艺是典型的表面塑性变形过程，利用不计其数的弹丸以较高的速度反复撞击金属表面，使得工件表面材料发生弹
‑
塑性变形，并在表面引入残余压应力场，表面的位错密度不断增加，导致表面层晶粒不断地细化。目前，对喷丸诱导表面梯度结构材料本构模型的建立或者喷丸后材料力学性能预测模型都是基于表面晶粒尺寸，因此，获得表面层晶粒尺寸的分布规律和尺寸与厚度之间的关系式是前提与基础。
[0004]现阶段获得晶粒尺寸的方法主要是XRD或者扫描电镜去沿着厚度的方向测量一些列离散点上的晶粒尺寸，再通过拟合的方式获得整个梯度上的晶粒尺寸分布。整个试验过程需要经过剥层和制样工作，需要成熟的经验人员，成本高，周期长，且测量效果波动较大，最大的问题是XRD方法对晶粒尺寸测量范围具有很大的限制。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种喷丸工艺诱导金属表面晶粒细化尺寸梯度分布的方法，能够将实际的喷丸工艺参数与金属零件经过喷丸后的晶粒尺寸分布建立联系，进而得到在不同的喷丸工艺参数下得到的晶粒尺寸及其分布情况，进而为喷丸工艺的优化提供客观的分析模型。
[0006]本专利技术通过下述技术方案实现：
[0007]一种喷丸工艺诱导金属表面晶粒细化尺寸梯度分布的方法，利用有限元仿真建立喷丸工艺参数与金属零件的等效塑性应变的关系；利用XRD衍射法检测金属零件表层的表层晶粒尺寸，通过光学显微镜检测金属零件的原始晶粒尺寸，通过表层晶粒尺寸与原始晶粒尺寸之间的差异建立晶粒尺寸分布与金属零件发生等效塑性应变厚度的线性分布关系；利用等效塑性应变与晶粒尺寸分布的反比关系，建立喷丸工艺参数与晶粒尺寸分布的分布模型。
[0008]为了更好地实现本专利技术，进一步的，所述喷丸工艺参数与晶粒尺寸分布的分布模
型具体为：
[0009][0010]其中：P
max
为金属零件表层的等效塑性应变的最大值；P
z
为金属零件的等效塑性应变；D
CG
为原始晶粒尺寸；D
min
为表层晶粒尺寸；z为晶粒层距离金属零件表层的深度。
[0011]为了更好地实现本专利技术，进一步的，所述喷丸工艺参数与金属零件的等效塑性应变的关系具体为：
[0012][0013]其中：Pmax为金属零件表层的等效塑性应变的最大值；hf为金属零件发生等效塑性应变的厚度；z为晶粒层距离金属零件表层的深度；
[0014]所述Pmax通过将喷丸工艺参数引入有限元仿真软件与等效塑性应变线性表达式拟合得到。
[0015]为了更好地实现本专利技术，进一步的，所述等效塑性应变线性表达式为：
[0016]P
z
’
＝az+b；
[0017]a和b通过点(0，Pmax)与(hf，0)确定。
[0018]为了更好地实现本专利技术，进一步的，所述喷丸工艺参数包括喷丸速度、喷丸气压、喷丸角度、喷丸覆盖率、喷丸弹丸数目、喷丸弹丸流量。
[0019]为了更好地实现本专利技术，进一步的，所述喷丸覆盖率的计算公式为：
[0020][0021]其中：C为喷丸覆盖率；Ae为喷丸单元面积；N为喷丸弹丸数目；din为单个弹丸造成的单坑直径。
[0022]为了更好地实现本专利技术，进一步的，所述喷丸弹丸数目的计算公式为：
[0023][0024]其中：N为喷丸弹丸数目；A
ε
为喷丸单元接触面积；l为金属零件的长度；h为喷丸条带的宽度；m
l
为单个弹丸的质量；M为喷丸弹丸流量；V
r
为喷丸喷嘴的移动速度。
[0025]为了更好地实现本专利技术，进一步的，所述表层晶粒尺寸与原始晶粒尺寸之间的差异建立晶粒尺寸分布与金属零件厚度的线性分布关系具体为：
[0026][0027]其中：DCG为原始晶粒尺寸；Dmin为表层晶粒尺寸；hf为金属零件发生等效塑性应
变的厚度；z为晶粒层距离金属零件表层的深度。
[0028]本专利技术与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：
[0029]本专利技术通过有限元仿真和一次性检测试验结合的方式，利用有限元仿真建立喷丸工艺参数与金属零件的等效塑性应变的关系；利用XRD衍射法检测金属零件表层的表层晶粒尺寸，通过光学显微镜检测金属零件的原始晶粒尺寸，通过表层晶粒尺寸与原始晶粒尺寸之间的差异建立晶粒尺寸分布与金属零件发生等效塑性应变厚度的线性分布关系；最后利用等效塑性应变与晶粒尺寸分布的反比关系，建立喷丸工艺参数与晶粒尺寸分布的分布模型通过分布模型可以快速预测不同喷丸工艺参数下金属零件的等效塑性应变对应的晶粒尺寸，最终获得不同喷丸工艺参数下的晶粒尺寸分布；
[0030]相比于现有技术，本专利技术只需一次测量金属表面最外层的晶粒尺寸，不需要进行反复的剥层，解决了传统剥层法的逐点的利用XRD去测量厚度上个点的晶粒尺寸，试验周期长，测量效果差，对晶粒尺寸有要求且无法测量大尺寸晶粒的问题。
附图说明
[0031]图1为本专利技术的步骤流程示意图。
具体实施方式
[0032]实施例1：
[0033]本实施例的一种喷丸工艺诱导金属表面晶粒细化尺寸梯度分布的方法，如图1所示，利用有限元仿真建立喷丸工艺参数与金属零件的等效塑性应变的关系；利用XRD衍射法检测金属零件表层的表层晶粒尺寸，通过光学显微镜检测金属零件的原始晶粒尺寸，通过表层晶粒尺寸与原始晶粒尺寸之间的差异建立晶粒尺寸分布与金属零件发生等效塑性应变厚度的线性分布关系；利用等效塑性应变与晶粒尺寸分布的反比关系，建立喷丸工艺参数与晶粒尺寸分布的分布模型。
[0034]实施例2：
[0035]本实施例在实施例1的基础上做进一步优化，所述喷丸工艺参数与晶粒尺寸分布的分布模型具体为：
[0036][0037]其中：P
max
为金属零件表层的等效塑性应变的最大值；P
z
为金属零件的等效塑性应变；D
CG
为原始晶粒尺寸；D
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种喷丸工艺诱导金属表面晶粒细化尺寸梯度分布的方法，其特征在于，利用有限元仿真建立喷丸工艺参数与金属零件的等效塑性应变的关系；利用XRD衍射法检测金属零件表层的表层晶粒尺寸，通过光学显微镜检测金属零件的原始晶粒尺寸，通过表层晶粒尺寸与原始晶粒尺寸之间的差异建立晶粒尺寸分布与金属零件发生等效塑性应变厚度的线性分布关系；利用等效塑性应变与晶粒尺寸分布的反比关系，建立喷丸工艺参数与晶粒尺寸分布的分布模型。2.根据权利要求1所述的一种喷丸工艺诱导金属表面晶粒细化尺寸梯度分布的方法，其特征在于，所述喷丸工艺参数与晶粒尺寸分布的分布模型具体为：其中：P
max
为金属零件表层的等效塑性应变的最大值；P
z
为金属零件的等效塑性应变；D
CG
为原始晶粒尺寸；D
min
为表层晶粒尺寸；z为晶粒层距离金属零件表层的深度。3.根据权利要求2所述的一种喷丸工艺诱导金属表面晶粒细化尺寸梯度分布的方法，其特征在于，所述喷丸工艺参数与金属零件的等效塑性应变的关系具体为：其中：P
max
为金属零件表层的等效塑性应变的最大值；h
f
为金属零件发生等效塑性应变的厚度；z为晶粒层距离金属零件表层的深度；所述P
max
通过将喷丸工艺参数引入有限元仿真软件与等效塑性应变线性表达式拟合得到。4.根据权利要求3所述的一种喷丸工艺诱导金属表面晶粒细化尺寸梯度分布的方法，其特征在于，所述等效塑性应变线性表达式为：P
z

【专利技术属性】
技术研发人员：王成雨，蒋建军，王勇超，杨武飞，
申请(专利权)人：成都飞机工业集团有限责任公司，
类型：发明
国别省市：