金屬表面超聲滾壓加工理論及表層力學性能研究.pdf

1、超聲表面滾壓加工(USRP)是一種新興的表面納米化技術(shù)，可以提高金屬材料表面的綜合性能。
　　本文首先在考慮應變、應變率和循環(huán)加載特性的基礎上修正了非線性各向同性-隨動硬化本構(gòu)模型用以描述金屬材料在超聲表面滾壓加工過程中的應力應變關(guān)系，并針對軸類用供貨態(tài)和調(diào)質(zhì)態(tài)40Cr鋼進行了不同應變幅和不同應變速率下的對稱應變控制低周疲勞試驗，以獲取其材料參數(shù)。
　　其次，建立了基于壓電效應原理的USRP動力監(jiān)測系統(tǒng)，以40Cr鋼為載體，

2、研究了超聲表面滾壓的動力響應，獲得了按正弦函數(shù)變化的動態(tài)沖擊力的頻率和幅值，結(jié)果發(fā)現(xiàn)隨著靜壓力和振幅的增加，沖擊力有所增加，相對于靜壓力，振幅的影響更為顯著。據(jù)此對超聲表面滾壓過程進行有限元模擬，得到了加工過程中工作頭的運動狀態(tài)，從而進一步對工作頭沖擊40Cr鋼表面的彈塑性球面應力波問題進行了求解。通過特征線法給出了彈塑性球面波傳播的任意質(zhì)點在任意時刻的應力應變狀態(tài)和運動速度。
　　再次，用有限元手段分析了超聲表面滾壓過程中整體模

3、型的能量分布，定義并求得了超聲表面滾壓加工的效率和功率，獲得了表面納米化工藝中關(guān)注的表面特征參量隨USRP加工參數(shù)的變化規(guī)律。模擬結(jié)果表明：經(jīng)過超聲表面滾壓處理后，表層殘余應力分布比較均勻，表面各方向的應力分量均為壓應力，隨著深度的增加壓應力先增大后減小。隨著車床主軸轉(zhuǎn)速、加工頭徑向進給速率的降低和靜壓力、振幅和加工遍數(shù)的增加，最大殘余壓應力的數(shù)值和深度以及殘余壓應力范圍均有不同程度的增加。表面粗糙度隨著主軸轉(zhuǎn)速和進給速率的增加而增加，

4、隨靜壓力和振幅的增加先減小后增大。通過等效塑性應變表征了材料的加工硬化程度。
　　最后，采用納米壓痕技術(shù)測試了超聲滾壓后材料表層的力學性能，包括彈性模量、納米硬度、以屈服強度和應變硬化指數(shù)表征的材料塑性參數(shù)和殘余應力。彈性模量、納米硬度和屈服強度由材料的表面向內(nèi)部逐漸減小，并隨USRP靜壓力、振幅和加工遍數(shù)的增加顯著提高，應變硬化指數(shù)呈相反趨勢。在距離表面500μm以內(nèi)，40Cr鋼表層殘余應力均為壓應力，隨著距表面距離的增加，殘余