[发明专利]一种喷丸强化材料微观组织演化的预测方法

说明书

本发明公开了一种喷丸强化材料微观组织演化的预测方法，它包括以下步骤：1、使用ABAQUS平台建立该三维喷丸模型；2、将基于位错密度演化的本构方程嵌入到喷丸强化三维模型；3、测量出弹坑半径；4、计算出当喷丸覆盖率达到设定的值的时候单位面积内所需要的弹丸数量；5、建立多丸粒随机分布的喷丸强化三维模型；6、使用ABAQUS/Explicit求解器分析弹丸流冲击靶体的过程，计算得到位错胞尺寸和位错密度分布。本发明的技术效果是：在考虑宏观应力应变场与材料微观组织间联系的条件下，获得喷丸强化的不同参数对材料微观组织演化的数据，加深对喷丸工艺参数的认识，实现喷丸工艺参数优化，提高喷丸强化处理的效果。

技术领域

本发明属于金属材料处理的技术领域，具体涉及一种金属零部件表面喷丸强化后残余应力与材料微观组织演化的预测方法，同时，还涉及一种考虑宏观应力应变场与材料微观组织之间的联系的金属零部件喷丸后表层位错密度分布梯度和位错胞尺寸分布梯度的预测方法。

背景技术

喷丸强化作为一种典型的表面强化技术，具有效率高、能耗低、强化效果显著等特点，被广泛的应用于风电、船舶、汽车、航空等行业内的金属零部件的表面强化应用中。金属零部件表面经过喷丸后，表面发生塑性变形，在塑性变形的作用下，近表层材料内部的位错密度发生增殖，位错胞尺寸减小，从而减小材料内部晶粒尺寸，提升了材料的强度和硬度，抑制了材料内部的裂纹萌生，从而提升零部件的疲劳寿命。

当前在试验技术方面，可以通过透射电子显微镜观察喷丸后的材料位错密度和位错胞尺寸的变化。但是由于试验费用高昂使得对于喷丸后材料的微观组织观察难以在工程领域中普及。因此，在实际工程中对喷丸后的材料组织细化机理尚存不足，导致了由喷丸强化的效果合理选择喷丸工艺参数的困难。

术语：位错密度是指穿过单位截面的位错线数目。

位错胞是指由于位错密度增大，许多位错墙围成独立的、无位错的区域。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种喷丸强化材料微观组织演化的预测方法，它能结合应力应变场与材料微观组织之间联系，显示金属零部件喷丸强化后的材料微观组织演化过程，有助于观察喷丸对材料微观组织演化的影响，又能预测喷丸强化后的位错密度分布和位错胞尺寸梯度分布，这些预测结果对喷丸工艺参数的选取具有指导作用，提高喷丸强化处理的效果。

本发明所要解决的技术问题是通过这样的技术方案实现的，它包括以下步骤：

步骤1、对实际喷丸强化过程中，金属零部件表面受到弹丸流持续冲击的情况进行简化，使用ABAQUS平台建立球形弹丸冲击靶体的喷丸强化三维模型；

步骤2、使用Fortran编程语言编写基于位错密度演化的本构方程，同时，使用ABAQUS平台中的VUMAT用户子程序接口，将本构方程嵌入到喷丸强化三维模型的计算中，建立宏观应力应变场与微观位错密度、位错胞大小的联系；

步骤3、使用步骤1建立的喷丸强化有限元模型，模拟单个弹丸冲击靶体的过程，得到单个弹丸冲击靶体表面后留下的弹坑，测量出弹坑半径；

步骤4、使用MATLAB平台，根据弹坑的半径，计算出当喷丸覆盖率达到设定的值的时候单位面积内所需要的弹丸数量；

步骤5、使用Python编程语言产生随机数，在靶体上方的三维空间中生成对应喷丸区域内随机分布的弹丸，弹丸数量为单位面积内所需要的弹丸数量乘以喷丸区域面积，建立多丸粒随机分布的喷丸强化三维模型；

步骤6、使用ABAQUS/Explicit求解器分析弹丸流冲击靶体的过程，计算得到位错密度和位错胞尺寸分布，并用Python语言提取喷丸强化三维模型的计算数据，得到的位错密度沿深度的分布梯度和位错胞尺寸沿深度的分布梯度。

本发明的技术效果是：