金属材料喷丸类强化表面损伤机制及延寿效果评价理论研究

Aiming at the development of new shot peening type techniques in prolonging of fatigue life and the urgent problems about stable control of the quality of shot peening type strengthening and its implementation effect in the project of fatigue life extension for core components of high-end equipment such as aero engine blade, locomotive bogies of high-speed railway, risers or connectors of deep sea.floating platform, etc., based on the results of the formation of crack-like folded defect and microcrack in the plastic deformation layer by shot peening in our previous study, this project tries to reveal the mechanism of the sharpening of surface rough notch by shot peening and the forming of microcrack in the plastic deformation layer, investigate the key influencing factors and the critical conditions for formation, and re-recognize the microscopic physical nature of the shot peening techniques for prolonging of fatigue life scientifically and systematically, by combining the finite element modeling and experimental study. And on this basis, a new approach about the evaluation of surface integrity in shot peening type strengthening and fatigue life estimation based on fracture mechanics and the theory of short fatigue crack propagation will be established, a new way of the quality control of shot peening type strengthening process and stabilization of implementation effect and parameter optimization will be obtained and new life extension techniques that work better in improving fatigue performance will be developed, which provide theoretical basis for establishing reasonable and scientific standards about shot peening type strengthening techniques for prolonging fatigue life and greatly improving the fatigue reliability and service life for core components of high-end equipment。

针对航空发动机叶片、高速轨道交通机车转向架、深海浮式平台立管或连接器造等高端装备核心部件疲劳延寿工程中亟待解决的喷丸类强化处理质量与实施效果稳定性控制以及新型喷丸类疲劳延寿技术开发等问题，本项目拟基于前期研究发现的喷丸类强化叠形类裂纹缺陷和塑性变形层微裂纹等成果，拟通过有限元数值模拟与试验手段相结合的方式，揭示表面粗糙缺口喷丸锐化与塑性变形层微裂纹形成机制，探讨其关键影响因素和形成临界条件，重新科学/系统地认识喷丸类疲劳延寿技术的微观物理本质；并在此基础上建立一套基于断裂力学与疲劳短裂纹扩展理论的喷丸类强化表面完整性评价与疲劳寿命评估的新方法，获得喷丸类强化工艺质量控制以及实施效果稳定化与参数优化新途径，进一步开发提高抗疲劳性能效果更佳的延寿新技术/新工艺,为制定合理、科学的喷丸类强化疲劳延寿技术相关标准，最大限度地改善高端装备核心部件的抗疲劳可靠性与安全服役寿命提供理论

超声冲击（UIT）和超声滚压（USRP）是常见的表面改性技术，其主要通过在材料表面引入残余压应力达到提高材料疲劳寿命的目的。然而，研究表明过度的表面处理可能导致材料产生工艺缺陷，对构件服役寿命产生不利影响，因此，有必要深入研究超声冲击工艺缺陷的种类、形成机制及其对材料疲劳和腐蚀性能的影响。.采用ABAQUS数值模拟与试验相结合的方式，研究超声冲击工艺缺陷的类型、形成机制和影响因素，测量超声滚压后试样的残余应力，揭示叠形缺陷对材料疲劳行为和腐蚀性能的影响。研究DH36钢超声冲击工艺缺陷的种类及形成机制。工艺缺陷分为两种类型：叠型缺陷和团簇缺陷。叠型缺陷是冲击后材料表面弹性变形转向塑性变形，引起位错运动，金属加工硬化形成微观短裂纹。团簇缺陷为试样在冲击针造成的周期性冲击载荷下产生的疲劳裂纹。研究6082-T6铝合金叠形缺陷的形成机制，探究超声冲击工艺参数和表面粗糙度对Q355钢光滑表面叠形缺陷的影响。超声冲击一次（100%覆盖率）形成凹坑，再次冲击由于金属塑性流动，未闭合孔洞完全闭合形成叠形缺陷。冲击次数从1次增加到4次，缺陷长度增加1-2倍，缺陷形态复杂化。试样的原始粗糙度越小，叠形缺陷形态越简单，呈细条状。研究超声滚压45#钢表面和内部的残余应力分布。经不同遍数的USRP加工后，最大残余压应力都集中在距试样表层约500 μm处。过多的加工遍数会在材料表面形成微观裂纹。研究冲击缺陷对Q355钢疲劳行为和X65管线钢腐蚀性能的影响。超声冲击处理后材料疲劳寿命的变化是表面压应力和叠形缺陷共同作用的结果；叠形缺陷会引起材料自腐蚀电位升高，电化学阻抗减小，抗均匀腐蚀能力减弱，抗应力腐蚀能力恶化等不利结果。采用振动光饰去除工艺缺陷。最优的处理参数是振动频率30Hz，光饰加工时间3h，既保留了超声冲击处理形成的压应力层和晶粒细化层，而且去除了表面的冲击工艺缺陷。