第shi四期-pen丸后零件de残余应力
发瞛i奔洌?017/2/25 11:53:14


引 言                                                                                                        

    pen丸后de零件会在biao面产生一ceng“神奇de皮肤”,这ceng皮肤包含了宏观de残余压应力。该皮肤dehou度主要取决于所使用丸liaode尺寸。皮肤中残余压应力deshui平是所pen零件de屈服强度乘yi较大百分比。残余应力和外加应力keyi互相抵消,所yibiaocengde残余压应力keyi抵消外加de拉应力。因此pen丸keyi降低biao面de拉应力shui平,进而提高零件de性能。

    只要在零件上产生不均yunde塑性变xing,残余应力就会产生。pen丸就是在零件上产生不均yun塑性变xingdeshou要工艺。pen丸所产生debiaoceng塑性延shende变xingceng就是觭hang韉uo扩张de凹坑所组成de。就是由于这种延shen变xing所yi会在零件biao面上产生残余压应力。pen丸之所yi能够在零件biao面上产生剧烈de变xingdan同shi不产生lie纹,是因为变xingde同shi产生了围压压缩de作用。jin子de延展性为40%,dan是qikeyi被磃an蛳嗟眀o一至到ji乎为透明de程度。此shijin箔中蕴含de能量非常大,qi熔点应为1064℃,dan是却keyi在一个人de手中融化掉。

pen丸后零件biao面出现残余压应力de原因

    n杏嘤αΨㄔ颉眐eyimiao述为:

    残余应力de符hao(+或-)与产生残余应力de非均yun变xingde符hao(+或-)是相fande。

    襤ua闱榭鱿拢?”代biao拉应力和拉shen变xing,相fan地“-”代biao压应力和压缩变xing。pen丸会在零件biao面上产生拉shen塑性变xing,所yi在biao面一定会留下残余压缩弹性应力。

    图1蕅ian裵en丸产生de残余应力de发展guo程用jian化和宏观de方式biaoda出来。矩xing块de上下biao面都进行了均yundepen丸。如果biao面pen丸cengkeyi相对于内部材liao进行自由地移动,那么keyi得到一个稍微变大debiao面ceng,如图1(a)所示。dan是,在实ji中biao面pen丸ceng是不能独li地移动de。内部材liaode詊i崾筨iao面pen丸ceng产生xiang内推,进而在上下两个biao面pen丸ceng产生残余压应力。每个biao面ceng均有一个相应de压缩力F,那么就需要在矩xing块de内部产生一个拉shen力2F与之相平衡,如图1(b)所示。

 

图1 詊i鴓en丸产生debiao面拉shen塑性延shen变xingde力xue模xing


    pen丸biao面de膨胀是觭hang韉uo个丸粒造成de凹坑de叠紋inC扛霭伎泳崾挂恍゜iaoceng材liao推出qi原shi位zhi,如图2所示。凹坑处de材liao均会沿zhou平行零件biao面de方xiang产生一个净拉shen运动并li开凹坑de中xin位zhi。

 

图2 丸粒造成de凹坑de模xing

    每个凹坑dexing成guo程都会产生一个经diande装zai和xiezai循环,进而产生一个包含残余压缩弹性应变de塑性变xing区域。在丸粒冲ji零件biao面deguo程中,开蔶i苯哟ビαξ悖缤?所示。随后应力会一致弹性增加直到da到qi屈服强度,图3中deA点。biao面材liao随后发生塑性变xing直到丸liao开shizhun备hui弹(B点)。在hui弹deguo程中,biao面材liao会发生弹性松弛直到应力为零(C点)。

 

图3 一个pen丸凹坑产生guo程中dejian化应力-应变图


    初shi应变和最终应变之间decha异就是残余应变,残余应变乘上弹性模量后就得到了局部de残余压应力。局部de残余应力沿zhou每个凹坑中xin线会发生变化。这种变化一定是平滑de,因为应力shui平de突然謝iexian谖锢韝ue上是不ke能de。

    图4biao示了一个独lidepen丸凹坑和残余应力de逻辑关系。把图2中de变xing区域jian化成一个圆盘。假设把圆盘从biao面取下来,进行塑性拉shen后再放huibiao面。那么这shi就需要一个平行于biao面de压缩应力把膨胀de圆盘进行压缩。一旦把圆盘放huibiao面中,圆盘材liao会对A和B产生一个压力。这种压力会使得圆盘发生轻微膨胀,膨胀至图4中de虚线位zhi,dan是此shi葃un晃匝顾踝饔谩U庵峙蛘鸵鈝eizhou压缩应力同yang会在A处de左bian和B处de右bian出现。在圆盘蟣v鍯处到D处de材liao会产生一个轻微de延shenguo程,进而在该区域产生一个与之平衡de拉应力。

 

图4 一个独lidepen丸凹坑deshou力模xing


    有两个重要de问题就是“在一个凹坑de区域,残余应力是如何发生变化de?”襶ue啊耙桓霭伎觗e应力是如何与qi相邻de凹坑发生交互作用de?oF誦ian接shoude观点就是在每个凹坑de区域均会cun在一个biao面残余压应力区域且该压应力一定是连续变化de(而非突然变化)。图5xian示了一种biao示残余应力区域de方法,一个凹坑de区域在A处,一组凹坑de区域在B处。

 

图5 在pen丸凹坑zhou围de压应力区域

    假设平行于biao面de凹坑zhou围de压应力沿zhou中xin线是一个zheng态分布,如图6所示。对于应力和juli使用ren意dedan位。在图6中,进一步假设残余应力de“延shen”(标zhuncha)等于凹坑de半径。

    zheng态分布degong式为:

    y = exp(-(x - μ)2/2σ2)/√(2πσ)                   (1)    

    式中:ybiao示残余应力,xbiao示沿zhoupen丸biao面dejuli,μbiao示凹坑中xinde位zhi,σbiao示标zhuncha(延shen)。

    把μ=5和σ=1代ru到式(1)中,就keyi得到一个凹坑区域de应力分布曲线,如图6所示。

 

图6 一个凹坑debiao面残余应力分布


    如果两个凹坑dejuli非常近,那么qi中一个凹坑de残余压应力将会xian著地影响另外一个凹坑de应力。图7xian示了不同凹坑de应力是如何相互叠加de,假设每个凹坑都具有相同de直径D。把两个不同deμ值代ru到gong式(1)中并进行相加,即得到图7中de曲线。zhu意1.5Ddejulibiao示两个凹坑中xindejuli。如果两个凹坑中xindejuli为3Dshi,残余压应力场mei有发生明xiande叠紋inⅫ/span>

 

图7 pen丸凹坑de残余应力叠加de效果


    在实jidepen丸中襤ua慊嵊玫奖冉细遜e覆gailv,那么同一区域会发生duo重重叠,残余压应力场也会得到加强。这意weizhoukeyi获得一个连续debiao面压应力ceng。pen丸产生de冷作硬化意weizhou随zhoupen丸de进行,压应力shui平会zhu渐sheng高,dan最终会da到一个稳定值。

    pen丸cengde残余压应力shui平和压应力ceng深度是两个重要dezhi标。无数次de测试结果biao明biao面pen丸cengde残余压应力shui平大概为Y/2,qi中Ybiao示shoupen材liaode屈服强度。Y并不是一个常数,它取决于pen丸de力度,襤ua闱榭鱿禄岢琯uoziliao上de最终拉shen强度(通guotuihuo试pian进行拉shen测试获得)。biao面压应力cengde深度主要取决于丸liaode尺寸,同shi也取决于pen丸de力度。不管对于何种丸liao,随zhoupen丸de进行,biao面压应力ceng会变得更深,残余应力shui平会变得更高。随zhoupen丸覆gailvde持续增加,应力ceng深度簍ui絛e增加速lv会kuai速下降。应该避免一个误区,就是通guo额外地增加覆gailvde方式获得更高de残余压应力shui平和ceng深。之所yi说这是个误区主要基于yi下两点:(1)guoduodepen丸会破坏材liaode延展性,进而会发生产生lie纹defeng险;(b)发生严重冷作硬化dejin属de热动性能会变得非常不稳定,这会增加发生自ji性应力shi放deke能性。

    图1中cun在biao面力de力Fke襶ue騞an地由平均残余压应力σ乘yibiao面pen丸cengde横截面ji。残余应力在ceng深方xiang会发生变化,如图8所示。压应力de最大值mei有发生在pen丸零件debiao面上。这主要是因为在机械变xing理论中,mo端debiao面是“自由状态deoⅫ/span>

    最大de残余压应力出现在biao面de塑性变xingceng中。在大yue塑性变xing深度demo端,残余应力会变为零。在次biaoceng一定会cun在拉应力场与biao面压应力场相平衡。拉应力deshui平取决于pen丸变xingcengde横截面ji与次biaocengde面jide比值。

 

图8 AB段中debiao面变xingcengde残余压应力场和与之平衡deBC段拉应力场


结论:

    pen丸会在零件biao面引ru高shui平de残余压应力。该残余压应力是觭hang韉uo个凹坑de应力场叠加de结果。残余压应力场de深度与凹坑直径de长度相si。较高de残余压应力shen至会在两个凹坑之间出现。凹坑重叠de程度和应力shui平取决于每个凹坑de应力场de延shen程度。这种延shen程度keyi通guo试验de方法直接测试,也keyi通guo间接地测试低覆gailvshui平de零件性能。由于pen丸keyi施加一个流ti静力deke压缩de零件上,因此通guo在一个biao面区域上进行重复变xingkeyi产生非常高shui平de冷作硬化效果。残余应力shui平大yue为biao面变xingcengde屈服强度de襤ua搿R欢ㄒ苊鈍uoduodepen丸,因为这keyi损害零件de延展性并使零件产生自行tuihuode倾xiang。