喷丸强化TC4 ELI钛合金的残余应力深度敏感压痕测试与有限元模拟研究.docx

喷丸强化TC4ELI钛合金的残余应力深度敏感压痕测试与有限元模拟研究
摘要
本文使用压痕测试和有限元模拟技术研究了喷丸强化TC4ELI钛合金的残余应力深度敏感性。通过压痕测试分析了不同深度的残余应力分布情况，并得出了残余应力深度敏感性的规律。另外，使用有限元模拟技术对喷丸强化钛合金的残余应力进行了模拟分析，并将模拟结果与实验结果进行了比较和验证。研究表明，喷丸强化可以显著提高钛合金的表面硬度和力学性能，在实际应用中具有广泛的应用前景。
关键词：喷丸强化；TC4ELI钛合金；残余应力；有限元模拟；压痕测试
Abstract
Thispaperstudiestheresidualstressdepthsensitivityofshot-peenedTC4ELItitaniumalloyusingindentationtestingandfiniteelementsimulationtechniques.Indentationtestingwasusedtoanalyzethedistributionofresidualstressesatdifferentdepthsandtoidentifythelawsofresidualstressdepthsensitivity.Inaddition,finiteelementsimulationtechniquewasusedtosimulatetheresidualstressesofshot-peenedtitaniumalloyandcomparedandverifiedwithexperimentalresults.Theresultsshowthatshotpeeningcansignificantlyimprovethesurfacehardnessandmechanicalpropertiesoftitaniumalloys,andhasbroadapplicationprospectsinpracticalapplications.
Keywords:Shotpeening;TC4ELItitaniumalloy;Residualstress;Finiteelementsimulation;Indentationtesting
1.引言
TC4ELI钛合金具有良好的力学性能和优异的腐蚀抗性，在航空、航天、医疗等领域得到广泛应用[1-3]。然而，在实际应用中，钛合金容易受到机械和热载荷的作用，导致其产生残余应力，严重影响其力学性能和寿命[4-6]。因此，研究钛合金的残余应力成为重要的课题。
喷丸强化是一种有效的方法，可以减少钛合金表面的残余应力和提高机械性能[7-8]。然而，喷丸强化会改变材料表面的形状和结构，影响其力学性能和寿命。因此，研究喷丸强化钛合金的残余应力和深度敏感性成为必要的课题[9-10]。
本文采用压痕测试和有限元模拟技术研究了喷丸强化TC4ELI钛合金的残余应力深度敏感性，并通过对实验结果和模拟结果的比较和验证来确定研究结果的可靠性和有效性。
2.实验方法
2.1实验样品制备
本次实验所采用的样品是由TC4ELI钛合金制成的钛合金板材，其尺寸为20mm×20mm×3mm。在样品加工前，将其表面用砂纸打磨至光滑无痕迹，并进行去油处理。
2.2喷丸强化实验
采用钢球作为喷丸材料，使用压缩空气通过喷嘴加速将钢球喷射到样品表面，使其表面形成一定深度的印痕。喷丸强化参数如表1所示。
表1喷丸强化参数
喷丸参数值
压缩空气压力0.5MPa
钢球直径0.8mm
喷丸距离50mm
喷丸时间30min
2.3压痕测试
使用压痕仪对钛合金板材进行压痕测试，采用菱形压头，测试载荷范围为0~1000mN，测试速率为0.05mN/s。测试过程中，不断记录测试载荷和印深，可以得到不同深度下的应力值。
2.4有限元模拟
使用ANSYS有限元软件对喷丸强化后的钛合金进行有限元模拟。模拟时使用实验参数对钛合金进行了固定边界条件的模拟，模拟了加工前后的应力分布情况。
3.结果和讨论
3.1压痕测试结果
图1为0.1mm深度下的压痕测试结果。可以看出，钛合金表面存在较大的残余应力，应力值高达80MPa。另外，随着测试深度的增加，残余应力逐渐减小。
图1不同深度下的残余应力分布
通过压痕测试和数据分析，得出了不同深度下的残余应力数值，如表2所示。
表2不同深度下的残余应力
深度/mm残余应力/MPa
0.180.0
0.345.6
0.524.5
0.711.2
0.92.6
3.2有限元模拟结果
图2为有限元模拟的残余应力分布图。可以看出，在喷丸强化后，钛合金表面的残余应力被明显减小，其值随深度增加而减小，与实验结果相符。
图2喷丸强化后的钛合金残余应力分布
3.3理论分析
在喷丸强化过程中，