一种喷丸强化中晶粒尺寸沿靶材纵深分布的预测方法技术

本发明专利技术公开了一种喷丸强化中晶粒尺寸沿靶材纵深分布的预测方法，包括：S100.对材料开展拉伸或压缩实验，得到真实流动应力；S200.利用本构模型方程得到预测流动应力；S300.使用遗传算法，通过调节本构模型方程的参数的值来调整预测流动应力的值，当预测流动应力和真实流动应力的绝对差值最小时，将对应的本构模型方程的参数的值作为最优本构参数；S400.利用有限元软件建立多弹丸撞击靶材的有限元模型；S500.利用最优本构参数编写本构模型程序，将本构模型程序赋予靶材；S600.通过有限元软件，计算晶粒尺寸；S700.提取步骤S600的计算结果。本发明专利技术通过由仿真计算来得到晶粒尺寸的变化，对于理解喷丸强化机理，研究加工参数与表面完整性之间的关系都有重要意义。整性之间的关系都有重要意义。整性之间的关系都有重要意义。

【技术实现步骤摘要】
一种喷丸强化中晶粒尺寸沿靶材纵深分布的预测方法


[0001]本专利技术涉及喷丸强化
，特别涉及一种喷丸强化中晶粒尺寸沿靶材纵深分布的预测方法。

技术介绍

[0002]喷丸强化已经成为表面强化技术中重要工艺之一，例如，航空、航天、船舶、汽车等行业中的关键零部件几乎都需要使用喷丸强化来提高抗疲劳性能。大量高速运动的弹丸以一定的速度撞击到靶材表面，靶材表面会产生大量的塑性变形，靶材的表层和次表层不均匀的塑性变形会形成一定深度的残余压应力，残余压应力能够预防裂纹萌生、防止裂纹扩散，进而能够提高零部件的抗疲劳性能，这是对喷丸强化最直接的解释。
[0003]经过多年的研究，虽然对喷丸强化机理有了较深理解，对残余应力的实验表征和仿真计算都已经取得了大量的成果，但是就内部微观层面的强化机理尚不明确，喷丸时，由于塑性变形的引入，会造成材料内部一定深度的晶粒细化，晶粒越细材料的性能也会得到改善，例如能够提高疲劳性能，因此研究材料内部的微观组织结构在喷丸中的变化能够更好地理解喷丸强化机理。
[0004]现有技术中，对于材料的晶粒尺寸的变化，主要通过实验进行观察，但是实验观测方法不仅耗时长，而且成本高，此外实验中不确定因素较多，容易出现实验误差。

技术实现思路

[0005]本专利技术旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本专利技术旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本专利技术提出一种喷丸强化中晶粒尺寸沿靶材纵深分布的预测方法，通过由仿真计算来得到晶粒尺寸的变化，不仅耗时短，而且能够节约成本，此外误差小，对于理解喷丸强化机理，研究加工参数与表面完整性之间的关系都有重要意义。
[0006]根据本专利技术第一方面实施例的喷丸强化中晶粒尺寸沿靶材纵深分布的预测方法，包括以下步骤：
[0007]S100.确定研究材料，对所述材料开展拉伸或压缩实验，并记录所述材料的应力应变关系，将所述材料在不同应变下对应的流动应力作为真实流动应力；
[0008]S200.利用本构模型方程计算所述材料在不同应变下的流动应力，将该步骤得到的流动应力作为预测流动应力；
[0009]S300.使用遗传算法，将所述真实流动应力和所述预测流动应力的绝对差值作为优化目标，通过调节所述本构模型方程的参数的值来调整所述预测流动应力的值，当所述预测流动应力和所述真实流动应力的绝对差值最小时，将所述本构模型方程的参数对应的值作为最优本构参数；
[0010]S400.利用有限元软件建立多弹丸撞击靶材的有限元模型；
[0011]S500.利用所述最优本构参数编写本构模型程序，将所述本构模型程序赋予所述
有限元模型中的所述靶材；
[0012]S600.通过所述有限元软件，计算弹丸撞击过程中所述靶材的晶粒尺寸；
[0013]S700.提取步骤S600的计算结果，根据所述计算结果预测所述晶粒尺寸沿所述靶材纵深方向的分布情况。
[0014]根据本专利技术实施例的喷丸强化中晶粒尺寸沿靶材纵深分布的预测方法，至少具有如下有益效果：
[0015]本专利技术的喷丸强化中晶粒尺寸沿靶材纵深分布的预测方法，能够预测喷丸强化工艺中晶粒尺寸沿靶材纵深方向分布的规律，通过研究不同加工参数对于晶粒尺寸的影响，从而优化工艺参数，提高零件的服役性能。其次，通过由仿真计算来得到晶粒尺寸的变化，不仅耗时短，而且能够节约成本，误差小。此外，本专利技术能够为喷丸强化工艺提供理论支持，对于理解喷丸强化机理，研究加工参数与表面完整性之间的关系都有重要意义，同时其它相近加工工艺也可以参照执行。
[0016]根据本专利技术的一些实施例，步骤S100中，开展所述材料在至少三种应变率下的拉伸或者压缩实验。
[0017]根据本专利技术的一些实施例，步骤S200中，所述本构模型方程下的所述预测流动应力的计算公式为：
[0018][0019]式中，σ1为材料的初始屈服强度，M为泰勒常数，α为常数，G为剪切模量，b为伯格矢量，f为位错胞壁占的体积分数，ρ
w
为位错胞壁位错密度，ρ
c
为位错胞内位错密度，为喷丸过程中产生塑性变形的应变率，为参考应变率，根据喷丸工艺中的应变率范围选择，m
*
为与应变率相关的参数；
[0020]位错胞内位错密度ρ
c
的计算公式为：
[0021][0022]位错胞壁位错密度ρ
w
的计算公式为：
[0023][0024]式中，α
*
、β
*
为和材料位错增加相关的参数，k
c
、k
w
为和位错湮灭相关的参数，n
c
、n
w
为和温度相关的参数，d为晶粒尺寸，Δγ为塑性应变增量，ρ
c0
为初始位错胞内位错密度，ρ
w0
为初始位错胞壁位错密度；
[0025]晶粒尺寸d的计算公式为：
[0026][0027]式中，K为和应变累积相关的参数，ρ
t
为总位错密度；
[0028]K根据以下公式计算：
[0029]K＝K
∞
+(K0‑
K
∞
)exp(
‑
βMγ)
[0030]式中β为常数，K0为K的初始值，K
∞
为K的饱和值，γ为喷丸过程中产生的塑性变形；
[0031]总位错密度ρ
t
根据以下公式计算：
[0032]ρ
t
＝fρ
w
+(1
‑
f)ρ
c
[0033]f按照以下公式计算：
[0034][0035]式中，f
∞
为f的饱和值，f0为f的初始值，ε为参考值。
[0036]根据本专利技术的一些实施例，步骤S300中，通过调节参数α
*
、β
*
、k
c
、k
w
、n
c
、n
w
、m
*
的值来调整所述预测流动应力的值，当所述预测流动应力和所述真实流动应力的绝对差值最小时，将参数α
*
、β
*
、k
c
、k
w
、n
c
、n
w
、m
*
对应的值作为所述最优本构参数。
[0037]根据本专利技术的一些实施例，步骤S400中，建立所述有限元模型包括以下步骤：
[0038]S401.利用所述有限元软件，建立单弹丸喷丸模型，计算所述靶材在单个所述弹丸撞击下产生的弹坑半径；
[0039]S402.利用Avrami方程，计算所述靶材在不同弹坑覆盖率下所需的所述弹丸的数量；
[0040]S403.根据步骤S402得到的所述弹丸的数量，采用导入分析法，建立所述有限元模型。...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种喷丸强化中晶粒尺寸沿靶材纵深分布的预测方法，其特征在于，包括以下步骤：S100.确定研究材料，对所述材料开展拉伸或压缩实验，并记录所述材料的应力应变关系，将所述材料在不同应变下对应的流动应力作为真实流动应力；S200.利用本构模型方程计算所述材料在不同应变下的流动应力，将该步骤得到的流动应力作为预测流动应力；S300.使用遗传算法，将所述真实流动应力和所述预测流动应力的绝对差值作为优化目标，通过调节所述本构模型方程的参数的值来调整所述预测流动应力的值，当所述预测流动应力和所述真实流动应力的绝对差值最小时，将所述本构模型方程的参数对应的值作为最优本构参数；S400.利用有限元软件建立随机多弹丸撞击靶材的有限元模型；S500.利用所述最优本构参数编写本构模型程序，将所述本构模型程序赋予所述有限元模型中的所述靶材；S600.通过所述有限元软件，计算所述弹丸撞击过程中所述靶材的晶粒尺寸；S700.提取步骤S600的计算结果，根据所述计算结果预测所述晶粒尺寸沿所述靶材纵深方向的分布情况。2.根据权利要求1所述的喷丸强化中晶粒尺寸沿靶材纵深分布的预测方法，其特征在于，步骤S100中，开展所述材料在至少三种应变率下的拉伸或者压缩实验。3.根据权利要求1所述的喷丸强化中晶粒尺寸沿靶材纵深分布的预测方法，其特征在于，步骤S200中，所述本构模型方程下的所述预测流动应力的计算公式为：式中，σ1为材料的初始屈服强度，M为泰勒常数，α为常数，G为剪切模量，b为伯格矢量，f为位错胞壁占的体积分数，ρ
w
为位错胞壁位错密度，ρ
c
为位错胞内位错密度，为喷丸过程中产生塑性变形的应变率，为参考应变率，根据喷丸工艺中的应变率范围选择，m
*
为与应变率相关的参数；位错胞内位错密度ρ
c
的计算公式为：位错胞壁位错密度ρ
w
的计算公式为：式中，α
*
、β
*
为和材料位错增加相关的参数，k
c
、k
w
为和位错湮灭相关的参数，n
c
、n
w
为和温度相关的参数，d为晶粒尺寸，Δγ为塑性应变增量，ρ
c0
为初始位错胞内位错密度，ρ
w0
为初始位错胞壁位错密度；晶粒尺寸d的计算公式为：式中，K为和应变累积相关的参数，ρ
t
为总位错密度；
K根据以下公式计算：K＝K
∞
+(K0‑
K
∞
)exp(
‑
βMγ)式中，β为常数，K0为K的初始值，K
∞
为K的饱和值，γ为喷丸过程中产生的塑性变形；总位错密度ρ
t
根据以下公式计算：ρ
t
＝fρ
w
+(1
‑
f)ρ
c
f按照以下公式计算：式中，f
∞
为f的饱和值，f0为f的初始值，ε为参考值。4.根据权利要求3所述的喷丸强化中晶粒尺寸沿靶材纵深分布的预测方法，其特征在于，步骤S300中，通过调节参数α

【专利技术属性】
技术研发人员：邵文，吕亮亮，唐进元，谢焕钧，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：