[发明专利]一种考虑喷丸强化表层晶粒细化的裂纹扩展寿命确定方法

说明书

本发明涉及一种考虑喷丸强化表层晶粒细化的裂纹扩展寿命确定方法，步骤为：(1)基于J‑C模型应力应变数据进行拟合，得到材料的位错演化模型参数；(2)利用ABAQUS有限元软件的VUSDFLD子程序进行编程，基于位错演化模型建立微细观参量与宏观参量的联系，完成程序编写；(3)基于ABAQUS软件进行喷丸强化数值仿真，获取强化之后表层晶粒尺寸与残余应力场；(4)根据相同材料不同应力下未喷丸的裂纹扩展试验数据，拟合得到N‑R模型参数，建立裂纹扩展模型；(5)将残余应力与晶粒细化考虑到N‑R裂纹扩展模型中，建立考虑喷丸诱导晶粒细化的裂纹扩展模型。

技术领域

本发明是一种考虑喷丸强化表层晶粒细化的裂纹扩展寿命确定方法，它是一种能够考虑喷丸强化之后微观结构变化对裂纹扩展影响的喷丸构件裂纹扩展寿命确定方法，属于航空航天发动机技术领域。

背景技术

先进航空发动机零部件结构复杂，工作环境苛刻，特别是涡轮部件长时间工作在高温、高压、高转速的极端服役环境中，在加工制造以及使用的过程中不可避免引入萌生裂纹。对于已经存在实际裂纹的结构，抑制裂纹扩展过程从而增加疲劳扩展寿命，是降低航空发动机在服役条件下的疲劳失效风险，保障航空发动机零部件长期安全使用的重要研究方向。喷丸强化技术是工业上常用的表面强化技术，喷丸之后的表面不仅仅会引入残余应力场，而且会使表层晶粒尺寸发生变化，最典型的就是晶粒会产生细化。晶粒细化会提高材料晶界的含量，晶界对裂纹扩展具有阻碍作用，降低裂纹扩展速率。现有的喷丸强化裂纹扩展评估方法往往仅仅考虑残余应力的影响，没有考虑晶粒细化带来的组织强化作用，预测结果相对于实际存在偏差。因此需要建立有效的喷丸强化晶粒细化模拟方法，综合考虑强化效果对裂纹扩展的影响。

现有文献“王建明,赵莉莉,吕鹤婷.喷丸残余应力对裂纹扩展疲劳寿命的影响[J].哈尔滨工程大学学报,2016,37(04):608-613.”基于ABAQUS软件建立含喷丸残余应力场的四点弯曲试样有限元模型和考虑裂纹闭合效应的裂纹扩展疲劳寿命预测模型，实现裂纹扩展寿命预测，但是没有建立喷丸强化过程晶粒细化的模拟方法，因此没有考虑其对裂纹扩展的影响。

发明内容

本发明技术解决方案：克服现有技术的不足，提供一种考虑喷丸强化表层晶粒细化的裂纹扩展寿命确定方法，综合反映喷丸强化引入的残余应力与表层晶粒尺寸变化对裂纹扩展的影响，实现裂纹扩展寿命的准确预测，能够服务与支撑航空发动机构件喷丸之后裂纹扩展寿命分析。

本发明技术解决方案：一种考虑喷丸强化表层晶粒细化的裂纹扩展寿命确定方法，基于位错密度演化模型实现喷丸强化过程晶粒尺寸变化的模拟，基于N-R小裂纹扩展模型将晶粒尺寸的影响考虑进来，实现考虑残余应力晶粒细化等喷丸强化综合效果的裂纹扩展寿命预测。实现步骤如下：

第一步，基于J-C模型应力应变数据进行拟合，得到材料的位错演化模型参数，用以计算材料表层的晶粒细化；设置位错演化模型需要拟合的参数的初始值，代入位错演化模型中计算得到应力。然后将计算得到的高应变率下的应力结果与J-C模型计算得到的结果进行对比，利用遗传算法将两种模型得到的结果误差减小到最小值，从而得到材料的位错演化模型参数。位错密度演化模型如下式：

式中，ρ_c、ρ_w分别为位错胞内、胞壁中的位错密度；α^*、β^*、k₀和n^*分别为控制位错密度演化率的参数；b为伯氏矢量；分别为位错胞内、胞壁中的分切剪应变率，由于胞壁、胞内的边界需保证应变协调，通常认为这两个参量相同，即为工艺的参考分切剪应变率；d为晶粒尺寸；f为位错胞壁所占的体积分数，通常可通过TEM试验检测获得。