[发明专利]一种超声滚压表层微观组织调控方法

说明书

本发明公开了一种对金属材料表面超声滚压强化过程中表层微观组织晶粒细化的调控方法，属于金属材料表面强化技术领域。具体步骤为：一，通过理论计算与数值模拟方法确定超声滚压过程中表层材料发生的应变及应变率范围(10²s^‑1‑10³s^‑1数量级)；二，测试待调控材料在相应应变率范围下的真实应力‑真实应变曲线；三，基于不同应变率下的真实应力‑应变曲线，确定发生动态再结晶的临界应变量；四，基于动态再结晶临界应变量，调整材料加工工艺参数，控制材料塑性变形过程中的应变、应变率，实现对材料微观组织晶粒细化的精确调控。

技术领域

本发明属于金属材料表面强化技术领域，特别涉及一种金属材料表面超声滚压过程中表层微观组织晶粒细化的调控方法。

背景技术

机械结构件在服役期间发生的疲劳断裂往往起源于表面，对结构件表面进行改性、强化处理，使结构件表面形貌、应力、组织等发生改变，是提升结构件抗疲劳性能的重要手段。在表面强化技术中，表面滚压获得广泛应用，它是通过塑性变形加工，使结构件表面粗糙度大幅降低、表层引入较大残余压应力并产生晶粒细化效果的一种强化技术。而超声滚压是在普通滚压基础上，增加超声冲击，利用超声冲击的高应变率作用，使材料表层更容易发生塑性变形，超声冲击产生的应力波传递可以进一步改善表层材料组织结构，形成晶粒细化的梯度结构，实现结构件疲劳寿命的进一步提升。

表层晶粒细化是评价表面强化效果的重要指标，实现对强化表层微观组织的精确调控对于表面强化技术有效应用有重要意义。目前对材料强化表层微观组织的调控通常采用工艺试验方法，通过反复调整工艺参数验证表层微观组织的晶粒细化效果，没有考虑导致晶粒细化的再结晶机制及其应变率效应，缺少科学、有效的定量调控方法。而通过材料动态力学性能测试及理论计算，获得材料动态再结晶临界条件，进而调整加工参数、控制加工过程中材料变形的应变、应变率，可以实现对微观组织晶粒细化的精确调控，此方法可以大幅减少工艺试验量，提升强化效果，提高生产效率，节省费用。

发明内容

本发明的目的是提供一种超声滚压表层微观组织精确调控方法，通过理论计算与数值模拟结合的方法获得超声滚压过程中的应变及应变率范围，通过材料动态力学性能测试获得相应应变率下材料的真实应力-应变曲线，通过理论计算获得动态再结晶临界应变量，基于动态再结晶临界应变量，调整超声滚压工艺参数，控制加工过程中材料的应变、应变率，实现表层微观组织晶粒细化的精确调控。

具体地，所述超声滚压表层微观组织精确调控方法步骤如下：

1.采用Abaqus软件对超声滚压过程进行理论计算与数值模拟，分析不同超声滚压参数(超声振幅、滚压力、工件转速、进给速度等)对材料应变ε及应变率的影响规律，并建立关联，同时获得超声滚压过程中有效的应变及应变率范围，其中，材料超声滚压过程中应变率的数量级在10²s^-1-10³s^-1范围内。

2.根据超声滚压过程中有效的应变及应变率范围，采用霍普金森压杆实验设备测试工件材料在所述应变率条件下的动态力学性能，获得不同应变率下的真实应力-应变(σ_T-ε_T)曲线，其中，测试时需产生足够的应变以使材料发生动态再结晶，即材料真实应力-应变(σ_T-ε_T)曲线上表现出较为稳定的流变应力阶段。