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喷丸处理Q235钢中晶粒尺寸与残余应力的关系预测∗

  • 何浩然1

    机 构：

    1. 燕山大学河北省重型装备与大型结构力学可靠性重点实验室 秦皇岛 066004

    ×
  • ， 刘峰1

    机 构：

    1. 燕山大学河北省重型装备与大型结构力学可靠性重点实验室 秦皇岛 066004

    ×
  • ， 李恒智2

    机 构：

    2. 河北对外经贸职业学院 秦皇岛 066311

    ×
  • ， 张晖辉1

    机 构：

    1. 燕山大学河北省重型装备与大型结构力学可靠性重点实验室 秦皇岛 066004

    ×

1. 燕山大学河北省重型装备与大型结构力学可靠性重点实验室 秦皇岛 066004；
2. 河北对外经贸职业学院 秦皇岛 066311；

Prediction of Relationship Between Grain Size and Residual Stress in Shot Peening Q235 Steel

  • HE Haoran1

    Affiliation：

    1. Key Laboratory of Mechanical Reliability for Heavy Equipments and Large Structures of Hebei Province, Yanshan University, Qinhuangdao 066004 , China

    ×
  • ， LIU Feng1

    Affiliation：

    1. Key Laboratory of Mechanical Reliability for Heavy Equipments and Large Structures of Hebei Province, Yanshan University, Qinhuangdao 066004 , China

    ×
  • ， LI Hengzhi2

    Affiliation：

    2. Hebei Institute of International Business and Economics, Qinhuangdao 066311 , China

    ×
  • ， ZHNAG Huihui1

    Affiliation：

    1. Key Laboratory of Mechanical Reliability for Heavy Equipments and Large Structures of Hebei Province, Yanshan University, Qinhuangdao 066004 , China

    ×

1. Key Laboratory of Mechanical Reliability for Heavy Equipments and Large Structures of Hebei Province, Yanshan University, Qinhuangdao 066004 , China；
2. Hebei Institute of International Business and Economics, Qinhuangdao 066311 , China；

作者简介:

何浩然,男,1995年出生,硕士。主要研究方向为金属表面处理。E-mail:1822071051@qq.Com;

刘峰(通信作者),男,1977年出生,博士,教授。主要研究方向为增材制造数值模拟。E-mail:liufeng@ysu.edu.cn

中图分类号:TG668

文献标识码:A

DOI:10.11933/j.issn.1007-9289.20210122001

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目录contents

    摘要

    作为优异的表面处理工艺,喷丸表面处理能够提高金属表面性能,被广泛应用于航天航空领域。 为了研究喷丸表面强化的内在物理机理,建立了喷丸冲击的力学模型,应用 DYNA 软件研究弹丸速度、半径和弹丸数量等因素对残余应力的影响。 进一步利用 Zener-Hollomon 参数模型和动态再结晶公式计算出理论晶粒尺寸,并讨论残余应力与晶粒尺寸的演化规律。 分析结果发现:弹丸速度、半径和弹丸数量的增大会使残余应力变大而晶粒尺寸相对变小。 但并未发现残余应力与晶粒尺寸之间存在定量关系,表明这两种强化机制相互独立。

    Abstract

    As an excellent surface treatment process, shot peening surface treatment can improve metal surface performance and is widely used in the aerospace field. In order to study the physical mechanism of shot peening surface strengthening, a mechanical model of shot peening impact was established. The DYNA software was used to study the impact of shot velocity, radius and number of shots on the residual stress. The Zener-Hollomon parameter model and dynamic recrystallization were further used. The formula calculates the theoretical grain size, and dis-cusses the evolution rule of residual stress and grain size. Results show that the increase of projectile velocity, radius and number of shot peening will make the residual stress larger and the grain size relatively smaller. Although the changes of residual stress and grain size are similar, there is no quantitative relationship between them, and these two strengthening mechanisms are independent of each other

  • 0 前言

  • 喷丸表面处理属于机械加工的一种处理方式。目前来说,喷丸表面处理已经发展非常成熟,在金属清洁与表面强化方面拥有很广泛的作用,也派生了许多喷丸的方式,比如机械喷丸、高能喷丸、高压水枪喷丸、超声喷丸与激光喷丸等[1]。喷丸表面处理利用高速弹丸流对金属零件表面进行撞击,使零件表面层产生残余应力场,改变零件的表面状态并提高零件的疲劳性能。与其他表面处理工艺相比,喷丸表面处理具有强化效果明显、消耗成本低、实施过程简便等特点[2],广泛应用于汽车、航空和航天等重要领域[3-5]。喷丸强化过程是高度非线性的动态冲击过程,工艺参数对喷丸效果的影响需要借助于数值仿真手段进行分析,近年相关学者开展了喷丸数值模拟研究取得了较大进展。但由于喷丸强化作用过程复杂且影响因素众多,至今仍有一些关键技术有待深化和解决。

  • 国内外研究当中,主要以有限元方法进行数值模拟计算[6-8]。仿真中,考虑了喷丸速度、喷丸半径、喷丸数量、喷丸撞击位置、覆盖率、冲击位置等因素对喷丸表面处理性能的影响[9-11],使模拟更加贴近实际情况,对得出的应力、应变、残余应力、表面粗糙度等结果进行分析讨论[12-13]。因此,喷丸模拟方面的影响因素考虑得比较全面,同时也验证了CAE仿真软件对模拟喷丸表面处理过程计算的准确性。

  • 喷丸表面处理的残余应力研究更多的是试验研究。残余应力的测试方法有很多,如X射线衍射、超声残余应力检测和钻孔法等[14]。基于这些测试方法,对残余应力场的特征规律进行了论证[15]。关于不同弹丸的半径和强度等因素对喷丸表面强化效果的试验也有较多研究[16-17]。这里更多的是宏观力学性质方面的直接研究。但是从晶粒尺度的角度观察,喷丸表面处理可以使工件表面层晶体得到细化[18-19],晶体细化同样是产生残余应力, 使试件硬度增强的一种物理机制[20]。在强化的机制中,至少存在两种机制,分别为应力和组织强化机制[21]。

  • 对于晶粒尺寸的变化,国内外学者也给出了具有参考意义的经验公式,对奥氏体长大中对晶粒尺寸的影响因素和常用公式进行了归纳总结[22-23]。总的来说,国内外学者在喷丸表面处理的模拟、试验方面取得了很多的成果,对晶粒尺寸变化也有一定的研究,但宏观力学性质中应变、应力、残余应力与微观晶粒变化的定量关系并未有明确的结论,因此本文就这一方面开展研究。

  • 1 数值仿真模型建立

  • 1.1 材料模型

  • 根据目前使用喷丸处理的工况,板材选择广泛应用的QB235钢板材料, 弹丸采用铸钢丸。 Q235钢的组成成分见表1,弹丸及板材材料属性见表2。

  • 表1 Q235钢的组成成分

  • Table1 Components of Q235steel(wt.%)

  • 表2 试件与弹丸材料属性

  • Table2 Material properties of specimens and projectiles

  • 结合实际情况试件选取J-C本构材料模型,其表达式如下所示[24] :

  • σeq=A+Bε˙eqn1+Cln⁡ε˙eq*1-FT*m
    (1)

  • 式中,A、B、n、C 和 m 是模型参数; σeq 为等效应力; εeq 为等效应变; ε˙eq* 为量纲一化等效塑性应变率。 T ∗ 量纲一化温度。

  • εf=D1+D2exp⁡D3σ*×1+D4ln⁡εeq*1+D5exp⁡D6T*
    (2)

  • 式中, D 1~D 6 是材料常数,σ ∗ 是应力三轴度。

  • 1.2 仿真模型

  • 本文采用LS-dyna软件进行模型仿真工作。选择3D-solid164单元进行模拟。为了减少计算时间,采用简化网格密度方式进行计算,如图1所示网格以弹丸撞击位置为中心向四周递减的方式划分。

  • 图1 喷丸表面处理模型

  • Fig.1 Model in shot peening surface treatment

  • 因为弹丸撞击会产生冲击波,喷丸表面处理试件尺寸与弹丸半径相差较大,但是本文建立的试件模型尺寸与弹丸在尺寸相差较小,冲击波会对应力场产生影响,所以采用非反射边界条件,消除冲击波的影响。根据弹丸撞击试件的特性,只要弹丸速度足够大, 试件会被破坏, 所以选择侵蚀接触最为合适。

  • 1.3 数据提取路线

  • 在后续的数据提取中,规定表面方向如图2a所示为整体模型切片位置,图2b所示为表面和深度方向数据提取路线。

  • 图2 提取数据的位置

  • Fig.2 Location to extract the data

  • 2 不同因素对残余应力影响

  • 下页针对单点弹丸位置的弹丸冲击模型进行讨论,主要讨论弹丸速度、弹丸冲击次数和弹丸半径对试件残余应力的影响。

  • 2.1 弹丸速度对残余应力的影响

  • 首先设置基本参数。设置3组试验,相同参数板材20mm的正方形试件, 5个弹丸, 弹丸半径2mm。分别进行30m/s、50m/s、70m/s的弹丸速度仿真模拟。图3和图4所示为不同弹丸速度下沿表面方向和深度方向的残余应力分布。

  • 从图3a、3b中可以看出,从撞击中心到边缘位置,残余应力呈先增大后减小的趋势,并没有处于撞击中心。从3组试验数据可以看出, 随着弹丸撞击速度的增加,表面最大残余压应力对应数值为-86.41MPa、-184.39MPa、-373.39MPa;表面最大残余拉应力对应数值为24.08MPa、 68.98MPa、 144.17MPa,可以看出呈递增趋势。

  • 图3 不同速度下表面残余应力

  • Fig.3 Residual stresses on the surface at different velocities

  • 图4 为在速度因素影响下,喷丸表面处理的表面位置残余应力云图。可以看出,随着弹丸速度的增加,弹丸撞击影响的表面范围增大,最大残余应力值增大,最大残余应力值不在撞击中心。

  • 图5 为在速度因素影响下,喷丸表面处理的深度位置残余应力云图。可以看出,随着弹丸速度的增加,弹丸撞击影响的深度范围增大,但对比50m/s和70m/s的情况,最大残余应力值没有变深,可能是撞击位置出现饱和情况。还可以得到最大残余应力值在次表层的结论。

  • 图4 不同速度下表面位置 σx 的云图

  • Fig.4 Stress contour plots of surface position σx at different velocities

  • 图5 不同速度下深度位置 σx 的云图

  • Fig.5 Stress contour plots of depth position σx at different velocities

  • 接下来不同因素的情况,并不影响以上结论。所以之后不同因素的残余应力云图基本趋势相同, 以免赘述不再给出。

  • 从图6a、6b中可以看出,随着弹丸速度的增加,深度最大残余压应力所对应的数值为-48.91MPa、-78.76MPa、-83.55MPa;深度最大残余拉应力所对应的数值为96.06MPa、155.36MPa、158.36MPa。结果表明弹丸冲击后,最大残余应力并非在撞击中心,而是在其附近次表层;残余应力随着弹丸撞击次数的增加而增大,残余应力的深度也随之变深。

  • 2.2 弹丸数量对残余应力的影响

  • 首先设置基本参数。设置3组试验,相同参数板材20mm的正方形试件,弹丸速度50m/s,弹丸半径2mm。分别进行20个、25个、30个的弹丸数量仿真模拟。图7和图8所示为不同弹丸数量下沿表面方向和深度方向的残余应力分布。

  • 图6 不同速度下深度残余应力

  • Fig.6 Residual stresses in the depth at different velocities

  • 图7 不同数量下表面残余应力

  • Fig.7 Residual stresses on the surface at different quantities

  • 图8 不同数量下深度残余应力

  • Fig.8 Residual stresses in the depth at different quantities

  • 从图7a、7b中可以看出,随着弹丸撞击数量的增加, 表面最大残余压应力所对应数值为-79.24MPa、-132.12MPa、-186.36MPa,表面最大残余拉应力所对应的数值为25.96MPa、 48.14MPa、88.80MPa,可以看出呈递增趋势。

  • 从图8a、8b中可以看出,随着弹丸数量增加,深度最大残余压应力对应数值为-45.43MPa、-35.33MPa、-39.90MPa,深度最大残余拉应力对应数值为87.73MPa、66.67MPa、81.65MPa。结果表明,弹丸冲击后,在表面方向最大残余应力值随着弹丸数量的增加而变大,但是影响范围并没有变大; 在深度方向,并没有明显的规律。

  • 2.3 弹丸半径对残余应力的影响

  • 首先设置基本参数。设置3组试验,相同参数板材20mm的正方形试件,5个弹丸,弹丸速度为30m/s。分别进行1mm、4mm、6mm的弹丸半径仿真模拟。图9和图10所示为不同弹丸半径下沿表面方向和深度方向的残余应力分布。

  • 从图9a、9b中可以看出,随着弹丸半径的增加,表面最大残余压应力所对应的数值为-94.14MPa、-85.81MPa、-86.45MPa,表面最大拉残余应力对应数值为26.42MPa、 25.29MPa、3 0.32MPa,可以看出基本一致。

  • 图9 不同半径下表面残余应力

  • Fig.9 Residual stresses on the surface at different radii

  • 图10 不同半径下深度残余应力

  • Fig.10 Residual stresses in the depth at different radii

  • 从图10a、10b中可以看出,随着弹丸半径增加,深度最大残余压应力所对应的数值为-47.46MPa、-51.44MPa、-67.28MPa,深度最大残余拉应力对应数值为92.20MPa、 102.18MPa、 134.49MPa。结果表明,弹丸冲击后,在表面方向最大残余应力随着半径的增大,残余应力并没有明显变化,但是残余应力影响范围变大;在深度方向,弹丸半径变大,残余应力数值变大,影响范围也变大。

  • 2.4 板材长度对残余应力的影响

  • 首先设置基本参数。设置3组试验,相同参数为5个弹丸,弹丸速度为30m/s,弹丸直径2mm。分别进行10mm、40mm、60mm的板材长度仿真模拟。图11和图12所示为不同板材长度下沿表面方向和深度方向的残余应力分布。

  • 图11 不同板材长度下表面残余应力

  • Fig.11 Residual stresses on the surface at different plate lengths

  • 从图11a、11b可以看出,随着板材长度的增加, 表面最大残余压应力对应数值为-86.16MPa、-83.86MPa、-88.23MPa,表面最大拉残余应力对应数值为24.08MPa、22.82MPa、25.12MPa,可以看出呈基本一致。

  • 从图12a、12b中可以看出,随着板材长度增加,深度最大残余压应力所对应的数值为-47.16MPa、-45.12MPa、-48.35MPa,深度最大残余拉应力对应数值为96.06MPa、 92.23MPa、 98.91MPa。结果表明,弹丸冲击后,在表面方向和深度方向,残余应力基本一致。所以在对称约束下, 板材的长度对残余应力并没有影响。

  • 图12 不同板材长度下深度残余应力

  • Fig.12 Residual stresses in the depth at different plate length

  • 3 不同因素对晶粒尺寸影响

  • 以下针对单点弹丸位置的弹丸冲击模型进行讨论,主要讨论弹丸冲击次数、弹丸速度和弹丸半径对试件晶粒尺寸的影响。

  • 3.1 晶粒尺寸公式

  • 在1994年,ZENER和HOLLOMON通过研究应变速率和温度对钢的应力应变关系[25],提出了Z参数模型:

  • Z=ε-˙exp⁡(Q/RT)
    (3)

  • 式中,Q=2.880 00J/mol为形变激活能;R=8.314J/(mol·k)为气体常数;T 为变形热力学温度; ε-˙ 为等效塑性应变率,即:

  • ε˙=23ε˙:ε˙
    (4)

  • 魏洁等[26]采用单道次压缩热模拟试验,建立了动态再结晶的模型:

  • D=a⋅Zb
    (5)

  • 式中,D 代表了晶粒尺寸;Z 代表了霍洛蒙参数;a=20 500、b=-0.25为材料常数。

  • 3.2 弹丸速度对晶粒尺寸的影响

  • 首先设置基本参数。设置3组试验,相同参数板材20mm的正方形试件, 5个弹丸, 弹丸半径2mm。分别进行30m/s、50m/s、70m/s的弹丸速度仿真模拟。图13所示为不同弹丸速度冲击下沿表面方向和深度方向的晶粒尺寸情况。

  • 图13 不同速度下晶粒尺寸

  • Fig.13 Grain size at different velocities

  • 从图13a、13b中可以看出,从边缘位置到撞击中心位置,晶粒尺寸呈逐渐变小的趋势。从3组试验数据可以看出,表面的最小晶粒尺寸所对应的数值为12.10 μm、10.84 μm、9.75 μm;深度的最小晶粒尺寸所对应的数值为15.38 μm、 9.70 μm、 8.71 μm。结果表明,晶粒尺寸随着弹丸撞击速度增加而减小;随着半径的增大晶粒细化的范围没有明显变化。

  • 3.3 弹丸半径对晶粒尺寸的影响

  • 首先设置基本参数。设置3组试验,相同参数板材20mm的正方形试件,5个弹丸,弹丸速度为30m/s。分别进行1mm、4mm、6mm的弹丸半径仿真模拟。图14所示为不同弹丸半径冲击下沿表面方向和深度方向的晶粒尺寸情况。

  • 图14 不同半径下晶粒尺寸

  • Fig.14 Grain size at different radii

  • 从图14a、14b中可以看出,从撞击中心位置到边缘位置,晶粒尺寸呈小减小后增大的趋势。从3组试验数据可以看出,随着弹丸半径的增加,表面的最小晶粒尺寸所对应的数值为9.51 μm、 10.04 μm、12.40 μm;深度的最小晶粒尺寸所对应的数值为9.02 μm、10.45 μm、12.57 μm。结果表明,晶粒尺寸随着弹丸的半径增加而增大;随着半径的增大使晶粒细化的范围变大。

  • 4 残余应力与晶粒尺寸分析

  • 本节针对第2节的宏观模拟结果和第3节的微观计算结果进行分析比对,运用MATLAB软件拟合出残余应力与晶粒尺寸的函数,得出残余应力与晶粒尺寸的定量关系。通过分析图2~9和图10~12的曲线趋势,能够得出晶粒尺寸的变化趋势与残余压应力的结果基本一致的结论。所以在计算残余应力与晶粒尺寸的拟合函数时,应用的是参与压应力与晶粒尺寸结果进行拟合的函数。

  • 4.1 从速度方面对残余应力和晶粒尺寸关系分析

  • 首先在弹丸速度影响因素中提取一部分残余压应力结果和与之对应的晶粒尺寸结果,其中部分结果如表3。

  • 表3 残余应力和晶粒尺寸在速度因子影响下的数据

  • Table3 Data of residual stress and grain size under the influence of velocity factor

  • 通过曲线观察并不能直接得出想要模拟的函数阶数,所以进行阶数的分析。通过进行1~5五阶的情况模拟,通过差值法,最终确定二阶的阶数得出的结果最为合理,因此残余应力与晶粒尺寸模拟函数均采用2阶的阶数进行拟合。

  • 最终模拟出残余压应力与晶粒尺寸的函数:

  • D=0.0007σ2+0.1356σ+20.6641
    (6)

  • 4.2 从半径方面对残余应力和晶粒尺寸关系分析

  • 首先在弹丸速度影响因素中提取一部分残余压应力结果和与之对应的晶粒尺寸结果,其中部分结果如表4。

  • 表4 残余应力和晶粒尺寸在半径因子影响下的数据

  • Table4 Data of residual stress and grain size under the influence of radius factor

  • 由4.1节拟合可知,最终采用2阶阶数进行模拟,故继续沿用其分析得出的结果。

  • 最终模拟出残余压应力与晶粒尺寸的函数:

  • D=-0.0025σ2+0.1747σ+22.3165
    (7)

  • 4.3 弹丸板长对晶粒尺寸的影响

  • 首先在弹丸速度影响因素中提取一部分残余压应力结果和与之对应的晶粒尺寸结果,其中部分结果如表5。

  • 表5 残余应力和晶粒尺寸在板长因子影响下的数据

  • Table5 Data of residual stress and grain size under the influence of plate length factor

  • 最终模拟出残余压应力与晶粒尺寸的函数:

  • D=-0.0025σ2+0.1747σ+22.3165
    (8)

  • 4.4 残余应力与晶粒尺寸拟合函数分析

  • 将以上四种模拟结果式(6)~(8),进行求平均值,得出最终的残余应力与晶粒尺寸函数:

  • D=0.0008σ2+0.1908σ+19.7835
    (9)

  • 通过这个模拟出来的函数式(9),计算出拟合后的晶粒尺寸结果和模拟计算的晶粒尺寸结果进行对比。

  • 从图15看出,晶粒尺寸的模拟结果和拟合函数结果在三种情况下趋势基本一致。但是拟合函数模拟出的结果并没有和模拟的结果一致。从这个结果得出,残余压应力是影响晶粒尺寸的主要因素,但不是唯一因素,不能建立唯一的定量关系,仍然有位错、晶壁和相变等因素对晶粒尺寸有影响。

  • 5 结论

  • (1) 在宏观方面,喷丸表面处理最大残余应力并不在撞击中心,而是在撞击中心附近的次表层;弹丸速度增大,残余应力增大;弹丸撞击数量变大,残余应力增大;弹丸半径增大,表面方向残余应力增大不明显,但影响范围变大,深度方向残余应力和影响范围变大;在非反射边界条件下,板材长度对残余应力没有影响。

  • (2) 在微观方面,随着弹丸速度增大,晶粒尺寸减小;弹丸半径增大,表面方向和深度方向晶粒尺寸变大和影响范围均变大;在非反射边界条件下,板材长度同样对晶粒尺寸没有影响。

  • 图15 晶粒尺寸模拟计算和拟合函数对比

  • Fig.15 Comparison of grain size between simulation and fitting function

  • (3) 宏微观结合分析。通过拟合残余应力和晶粒尺寸的结果,得出拟合函数。对比分析后,残余应力与晶粒尺寸的变化趋势相似,这也意味着晶粒尺寸是影响残余应力的一个因素,但残余应力还与其他微观组织结构有关,因此只能定性地讨论关系。

  • 参考文献

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  • 基本信息

    中图分类号: TG668
    文献标识码: A
    DOI: 10.11933/j.issn.1007-9289.20210122001

    基金信息

    河北省自然科学基金资助项目(E2017203240)；
    Supported by Natural Science Foundation of Hebei Province (E2017203240).；

    引用信息

    稿件历史

    收稿日期: 2021-01-22

  • 参考文献

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