热应力高能喷丸强化齿轮钢微观结构演变和疲劳机理研究

As high energy shot peening (HESP) can introduce high compressive residual stress into surface region meanwhile produce nanostructured surface layer of treated component, this strengthening method can improve fatigue property of component greatly and has an extensive application prospect in gear steel strengthening process. A suitable temperature and pre-stress can not only increase the value of compressive residual stress in deformation layer via HESP, but also make the residual stress field and microstructure more stable. In this project, a temperature field and pre-stress field will be coupled to HESP process in order to improve the strengthening effect of HESP for gear steel fatigue property. It will be proposed an analysis system for thermal-prestress coupled HESP (TPHESP) by introducing material constitutive model and arbitrary high energy shot impact model. By using the finite element model and TPHESP experimental method, the influence of temperature and prestress on TPHESP surface nanocrystallization will be investigated and the controllable preparation of nanostructure and nanocrystal for gear steel will be realized. Furthermore, the residual stress relaxation, the microstructure evolution and the fatigue crack initiation and propagation of gear steel will be analyzed via constant and variable amplitude loading. According the microstructure and mechanical property investigation and analysis, the strengthening mechanism of TPHESP with the aim of improving gear steel fatigue property will be revealed. The research results will provide an important theoretical basis of special shot peening process for improving gear fatigue property.

高能喷丸能在零件表面引入残余压应力的同时，在零件表面产生纳米结构，从而大大改善零件材料的疲劳性能，在齿轮钢疲劳性能改善方面有着广阔的应用前景。适当的温度场和预应力场能够有效提高高能喷丸形变层残余压应力值，同时能使残余应力和微观组织结构更稳定。本项目在高能喷丸工艺中引入温度场和应力场，以提高高能喷丸对齿轮钢疲劳性能改善的能力。通过建立热应力高能喷丸中材料本构模型和高能弹丸随机撞击模型，从而构建完整的热、应力耦合高能喷丸强化分析体系。通过建立的有限元模型和相关实验，研究温度场和应力场对高能喷丸表面纳米化的影响规律，实现齿轮钢纳米结构和纳米晶的可控制备，分析具有纳米结构齿轮钢在等幅和变幅载荷情况下，残余应力松弛、微观结构演变和疲劳裂纹萌生和扩展行为，揭示热应力高能喷丸对齿轮钢疲劳性能强化机理。项目的研究成果对于特种喷丸强化改善齿轮疲劳性能方面提供重要的理论基础。

高能喷丸能在零件表面引入残余压应力的同时，在零件表面产生纳米结构，从而大大改善零件材料的疲劳性能，适当的温度场和预应力场能够有效提高高能喷丸形变层残余压应力值，同时能使残余应力和微观组织结构更稳定。本项目目的是探索在高能喷丸工艺中引入温度场和应力场，以提高高能喷丸对金属和金属基复合材料疲劳性能改善的能力。项目的开展主要分为两个方面，一方面对高能喷丸物理过程进行有限元仿真。在材料本构模型建立过程中考虑温度和应变率对于流动应力的影响，塑性形变硬化效应和包兴格效应，建立了描述弹丸高速冲击的材料本构模型。利用Python语言完成了随机模型的数学方程建立从而建立随机弹丸撞击模型。通过Python语言和ABAQUS耦合，建立了高能喷丸冲击后残余应力的提取方法。通过对零件和弹丸不同网格划分方式下PEEQ值的外推，建立高能喷丸纳米预测模型。实验方面，项目通过在传统喷丸设备中引入预应力装置和控温装置，完成了热应力高能喷丸实验平台的搭建，并利用该平台完成了SiCw/Al金属基复合材料，江海直达船上的Q345D低合金钢，以及304奥氏体不锈钢的强化工作。在SiCw/Al金属基复合材料喷丸强化中，运用了四类包括普通喷丸，热喷丸，应力喷丸和热应力喷丸四种方式进行处理，结果表明运用热应力喷丸对改善SiCw/Al金属基复合材料的疲劳性能最显著，并通过疲劳试验过程中的实时观测X射线衍射Al{211}峰的半高宽来判断疲劳过程中的结构松弛，通过表面残余应力的实时观测判断不同喷丸方式强化后表面屈服强度。对于Q345低合金钢和304奥氏体不锈钢，喷丸对于表面残余应力的重新分布和疲劳性能的提升也有极为关键的作用。项目的研究成果揭示了高能喷丸和热应力高能喷丸对不同类型材料疲劳性能和整体力学性能强化机理，对于特种喷丸强化改善不同类型材料疲劳性能方面提供重要的理论基础。