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第 3 卷
2015 年
6 月刊
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第 3 卷- 2015 年 6 月刊
通过由抛喷丸强化工艺衍生出的技术将表面纳米结构化:最新进展






图1:Abaqus中模型视图:基质(上)和0.6mm弹丸(下)


图2:关于垂直冲击的凹坑模拟(顶部)和在直径(左)、深度(右)方面与Kirk模型的比较(底部)


图3:倾斜冲击示意图


图4:倾斜冲击(45°)下基质变形的不同角度视图


图5:以45°角度冲击后PEEQ分布


图6:不同角度条件下PEEQ最大值演变


图7:表面形貌通过FE建立模拟


图8:由PE模拟得出的残余应力和等效塑性应变量(弹丸直径和速度固定值分别为0.6mm和90m/s)


表1:用于DOE的参数

简介

  在过去的几十年里,超细晶材料吸引了相当多的科学关注,尤其是颗粒尺寸小于100nm的纳米晶材料,相比传统粗晶材料,它显示出优秀的机械、物理和化学性能。众所周知,大部分工程材料的失效(例如疲劳断裂、微动疲劳、磨损、腐蚀等)都非常容易受到材料表面结构和性能的影响,并且在多数情况下,材料失效发生在表面。因此,在不改变化学成分的条件下,具有纳米结构表面的材料出现这种破坏的可能性会小得多。

  为实现表面纳米化,很多机械技术得到开发,它们都依赖于金属的塑性并以机械的方式诱发表面纳米结构化,被称为剧烈塑性变形(SPD)技术。其中的一些可以称作“整体处理”,因为它们旨在对工件的整体进行处理。这些技术包括ECAP(等径角挤压)、HPT(高压扭转)或钻孔。另一方面,一些技术专攻于表面:SMAT(表面机械研磨处理)或USSP(超声波喷丸强化)、球磨、滑动磨损等。

  然而这些工艺只是在实验室中研发,很难应用到大规模的批量生产。剧烈塑性变形实现表面纳米结构化也可以通过抛喷丸工艺衍生出的技术 - NanoPeening®来实现。在大多数情况下,抛喷丸工艺持续时间过长或强度过大通常会诱发“过度喷丸”,“过度喷丸”会对材料产生有害影响,诱发裂纹以及微观结构不产生改变的表面退化。最近几年,人们发现在特定条件下,可以忽略这些不利影响,实现表面纳米化状态。NanoPeening®工艺处理可以快速形成一个厚表层(几十微米厚度),它的特点是晶体尺寸呈梯度分布:从表面纳米微观结构到传统核心结构。与所有SPD技术相似,纳米结构层是“原位”生成的,没有任何像外部涂层这样的添加物,但是这个新的处理方法与前面提到的工艺的不同之处是:它有很大可能性被投入到工业应用中,并且提供高生产率、可靠性和可重复性。它也具有高灵活性,因为可以处理的形状、尺寸和钢种范围很广。

  本文旨在描述NanoPeening®工艺,包括由来自Politecnico di Milano的Prof.Guagliano团队建立的模型:他们使用有限元法研发了一个程序,对于给定工艺参数的处理,此程序可以评估其产生的纳米结构层。

NanoPeening®工艺:简介和模拟方法

1.工艺简介

  它是由喷丸衍生出的表面处理解决方案。喷丸解决方案被广发应用于:

• 清洁表面
• 准备表面(例如在涂装之前)
• 强化表面(即喷丸强化)

  NanoPeening®工艺的目的是通过金属晶粒的激烈细化来实现对材料表面的处理。这种硬化和纳米结构化的联合效应增强了抗磨损性(尤其是磨粒磨损)。事实上,其他旨在通过冲击实现表面纳米结构化的工艺对条件要求很高,例如大型丸的超声波活化(超声波喷丸强化USSP或表面机械研磨处理SMAT)或相反地,以更高速度进行小型丸的超声波活化(高能喷丸,HESP),但是NanoPeening®并不需要超声波,其使用的是喷丸强化领域常见的介质和速度。由于保密原则,无法详述所有细节,但是此项工艺已获得专利。从外观上来看,执行NP的设备与喷丸设备非常相像。不同之处在于执行的处理方法,包含了精确的参数组合,所有参数须根据被处理工件的材料和形状进行精确控制和调整。

2.数值模拟

  NanoPeening®的有限元模拟旨在评估晶粒细化至纳米级所需的工艺条件。FE(有限元模拟)的结果建立在MatLab程序的基础上,MatLab程序可以根据工艺参数预测纳米结构层的厚度。此项进程需要3个步骤:首先考虑单次冲击,然后模拟多重冲击,最后将这两种冲击的结果用于最后的软件处理。

单次冲击

  采用单个弹丸撞击3D模型,通过模拟单次冲击(采用不同的冲击角度)研究冲击角度的影响。将目标材料或基质模拟成一个平行六面体(3*3*1.5mm3),尺寸足够大以避免在冲击区残余应力状态下的边界条件影响。冲击区(1*1mm2)位于矩形面的中心位置,目标网格由降阶积分的C3D8R 8节点线型块状元素和沙漏控制建立[1]。全部侧面(包括底部)都由半有限元包围,它可以通过最小化膨胀波和剪切波反射回所需区域以提供稳定的边界[2]。考虑到其出名的单调和周期机械特性,基底材料(低合金不锈钢AISI 304 L)使用非线型运动学Chaboche硬化模型[3]。

  另一方面,钢丸被模拟成包含四面体C3D4元素(具有各项同性的弹性行为)的球形体。目标模型和弹丸模型图片在图1中呈现。

  任意方向的颗粒(弹丸)速度为包含冲击角度和绝对速度的矢量。

  通用接触是各项同性库伦摩擦系数为µ= 0.2接触的标准[4]。单次冲击模拟用于测量由倾斜冲击诱发的塑性压痕大小。已选的元素尺寸(冲击区域和相应弹丸的压痕直径为1/20和1/10)依据冲击区的应力和等效塑性应变量产生可接受聚合。

  第一个模拟使用垂直冲击,根据凹坑(冲击)尺寸(例如直径d和深度h)来验证模型,再将结果与Kirk提出的经验方程式结果相比较[5]。Kirk分别在方程式(1)和(2)中提出模型d和h,D表弹丸直径,v表示弹丸速度,ρ表示弹丸密度,B表示弹丸硬度,e表示阻尼耗能,后三个参数设置分别是:ρ为7860kg/m3,B为201HB,e为0.71。

“公式无法显示”(1)

“公式无法显示”(2)

  软件输出d和h绘图。垂直冲击获得的位移如图2上方的图所示,图2下方的图显示的是FE模拟和Kirk模型的比较,如图所示,两种结果在冲击直径和深度方面契合良好。

  然后将程序应用于倾斜冲击(喷丸方向由正常变为倾斜,如图3所示)。如图4所呈现的模拟,这将导致出现类椭圆的压痕。

  椭圆形冲击影响塑性等效应变量(PEEQ)分布:如图5所示,它不再统一,但是它的最大值朝弹丸的方向移动。

  仍然在单次冲击条件下,使冲击角度发生变化(但保持弹丸速度不变),绘制所获得的PEEQ最大值与冲击角度的关系曲线,图6所示的相应曲线突出了最大PEEQ随着冲击角度从0(垂直冲击)变化到45°的降低。

多重冲击

  为了呈现出更贴近实际的NanoPeening®工艺模型,下一步是建立一个考虑到大量相同弹丸以随机角度、随机位置和随机顺序撞击表面的FE模型。

  为了评估每次模拟的冲击尺寸,基于完全因子计划(DOE),进行了大量单次冲击模拟,包括三个主要喷丸参数:表面覆盖率、弹丸直径和弹丸速度。数值列入表1中。

  然后开发了Python[6]子程序用于优化随机冲击次数和每个点的冲击重复(基于模拟所需覆盖率)。运行Python子程序几次之后,发现冲击次数正常范围是2.1至2.2Nopt(Nopt = 总冲击面积/凹坑面积)。

  其中一项分析表明,某区域呈现出的残余应力映射与用于测量残余应力的X射线衍射是一致的。处理后的表面3D视图如图7所示。不同覆盖率条件下,残余应力和FEEQ随着深度的变化如图8所示。

软件

  最后一个步骤是建立一个软件程序,对于给定的一组参数,此程序能够评估残余应力分布和检查晶体细化所需的条件是否满足。为达到这个目的,已考虑参数(弹丸尺寸、速度、覆盖率以及预估的最大冲击角度)需与交换数据结合。这个新方法依赖于多重冲击(根据已考虑喷丸参数)传递出的能量计算。第一步,在单次冲击条件下,凹坑尺寸从工艺参数计算转变为冲击能量计算。然后,它用于评估为达到要求覆盖率所需的全部冲击次数以及整个工艺的全部冲击能量。

  基于此工艺的能量,以及不同参数的模拟结果,在喷丸工艺之后可以评估样品各个深度的应力。同样的程序也可以用于PEEQ。

  依据输入的喷丸工艺参数,软件给出残余应力随深度变化的模拟轮廓,以及PEEQ的最大值和PEEQ特别高时的材料厚度;这是晶体细化过程中的决定性因素,由此建立的材料厚度可以看作是纳米结构表层的一种。

结语

  NanoPeening®是一种旨在建立纳米结构表层以预防金属磨损的机械表面处理工艺。考虑到处理方法的各个方面,建立起了一个描述性的数值模拟以评估残余应力的分布和纳米细化所需的有利条件。本文描述了开发软件的模拟原则,此软件可以在给出一组假定工艺数据的条件下,预测纳米结构层厚度。

  与任何其他表面纳米结构处理工艺相同,NanoPeening®的首要目的是提高已处理材料的抗磨损性,这仅仅是其中一项应用。此工艺仍有许多出众的特点,例如提高材料的扩散特性。它涉及很多领域并且可以使热化学处理最优化或在摩擦腐蚀的情况下研发出新型不锈钢种。

参考文献

[1] S. Bagherifard, R. Ghelichi, M. Guagliano, Surface & Coatings Technology 204 (2010) 4081–4090.
[2] Abaqus Analysis User’s Manual (2007), version 6.11.
[3] J. Lemaitre, J.L. Chaboche, Mécanique des matériaux solides, DUNOD, Paris, 1998.
[4] T. Kim, J.H. Lee, H. Lee, S.K. Cheong, Material and Design 31 (2010) 50-59.
[5] D. Kirk, The shot peener, 2010, pp. 25-32.
[6] Python documentation, http://docs.python.org/.
[10] Mao X-Y, Li D-Y, Fang F., Tan R-S., Jiang J-Q, 《 Can severe plastic deformation alone generate a nanocrystalline structure? 》, Philosophical Magazine Letters, 90 (2010) 349-360.
[11] Tong W-P., Sui M-L., Lu J., Lu K., Tao N-R., Wang Z-B., 《 An investigation of surface nanocrystallization mechanism in Fe induced by surface mechanical attrition treatment 》, Acta Materialia, 50 (2002) 4603-4616.
[12] Semenova I-P., Raab G-I., Saitova L-R., Valiev R-Z., 《 The effect of equal-channel angular pressing on the structure and mechanical behavior of Ti–6Al–4V alloy 》, Materials Science and Engineering, A vol. 387-389 (2004) 805-808.



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