喷丸应变硬化梯度对材料低周疲劳行为的影响机制研究

Surface mechanical strengthening is an important method in anti-fatigue design and manufacturing of key engineering components. Ultrasonic Shot Peening generates residual stresses coupled with work hardening gradient through severe plastic deformation in the near surface region of a material. The work hardening gradient can significantly affect cyclic plasticity behavior, residual stress relaxation, fatigue crack growth and fatigue life of the material. Actually in the literature, arguments still exist regarding the effect of work hardening on crack growth under low cycle fatigue (LCF). Furthermore, it is necessary to develop a reliable method being able to precisely account for the work hardening gradient in the fracture mechanics based fatigue crack growth analysis. Taking a shot-peened 316L stainless steel as an example, this project aims to study the effect of strain hardening gradient on LCF behavior through a systematic methodology that combines theoretical formulation, computation and experimentation. The final objective is to develop a fatigue life prediction model accounting for the effect of strain hardening gradient and residual stress relaxation on LCF crack growth. The work will be performed by focusing on cyclic plasticity constitutive modelling of the material, quantitative characterization as well as reconstruction of work hardening gradient, prediction of residual stress relaxation, and development of prediction laws for fatigue crack growth and fatigue life of shot-peened materials. The research outcome will provide valuable basic theories and supporting tool in anti-fatigue design of mechanical parts.

表面机械强化是关键结构零部件抗疲劳设计与制造的重要方法。超声喷丸强化能够通过严重塑性变形在金属材料近表面区域引入残余压应力，同时会不可避免地产生应变硬化梯度，其显著影响材料的循环塑性行为、残余应力松弛、疲劳裂纹扩展和疲劳寿命。目前，应变硬化对材料低周疲劳裂纹扩展的影响尚存在争议。此外，在材料低周疲劳的裂纹扩展分析中缺乏准确表征应变硬化梯度的方法。本项目以超声喷丸处理的316L不锈钢为对象，通过理论、计算与实验相结合来揭示应变硬化梯度对材料低周疲劳行为的影响机制，从而建立综合考虑应变硬化梯度和残余应力松弛的低周疲劳裂纹扩展和寿命预测的模型。本项目将重点围绕材料循环塑性行为的本构建模、应变硬化梯度的量化表征与建模重构，残余应力松弛的预测、以及疲劳裂纹扩展和寿命预测模型的建立四个方面进行系统深入的研究。研究成果可为机械零部件的抗疲劳设计提供理论依据和方法支撑。

表面喷丸强化通过严重塑性变形在金属材料近表层区域引入残余压应力的同时会不可避免地产生应变硬化梯度，显著影响材料的循环塑性行为、残余应力松弛、疲劳裂纹扩展和寿命。残余应变硬化有影响因素多、难以表征和对材料力学行为的作用机制复杂等特点。本项目提出了在偏平面内以残余应力为圆心的应力圆模型，基于参数δ*和θ*给出了残余应力与残余应变硬化的关系表达式。针对超声喷丸和传统喷丸处理平面结构的有限元建模研究发现δ*总是分布在塑性影响区的一定范围内，θ*≈π，且喷丸处理参数对δ*和θ*的分布影响很小。基于δ*和θ*分布，一方面可以通过测量得到的残余应力表征残余随动硬化，另一方面提出了残余应力的预测模型。以超声喷丸处理的316L不锈钢圆柱形结构为对象，应用DEM-FEM耦合建模技术预测和分析了产生的残余应力与残余应变硬化梯度。通过对残余应力场与残余应变硬化梯度的建模重构，准确预测了经超声喷丸处理后圆柱形结构的单向拉伸行为，并分析了其梯度力学特征，包括应力应变响应、屈服和硬化行为，基于不同材料本构模型，分析了残余应变硬化对喷丸处理材料力学行为和残余应力松弛的作用机制。此外，研究了残余应变硬化梯度对于残余应力测量精度的影响，包括轮廓法和结合逐层电解抛光的XRD衍射分析，其影响程度与材料去除量有关。基于实验方法研究了超声喷丸对各向异性316H不锈钢低周疲劳行为的影响，分析了残余应力和残余应变硬化对其循环应力应变响应和疲劳裂纹扩展的影响。以上研究成果可为喷丸结构的抗疲劳设计提供理论依据和方法支撑，也可应用于表征其它表面机械强化技术的表层硬化特征。