至德鋼業(yè)304不銹鋼管表面噴丸殘余應(yīng)力場(chǎng)的分析

  浙江至德鋼業(yè)有限公司運(yùn)用有限元軟件建立了模擬噴丸殘余應(yīng)力場(chǎng)的三維有限元模型，預(yù)測(cè)了鋼丸噴射所產(chǎn)生的殘余應(yīng)力場(chǎng)，分析了噴丸強(qiáng)度、彈丸尺寸對(duì)304不銹鋼管殘余應(yīng)力分布的影響以及變化特征。計(jì)算結(jié)果表明，噴丸后靶材表面產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力層，在近表層產(chǎn)生最大殘余應(yīng)力峰，同時(shí)在次表層形成二次殘余應(yīng)力峰。在相同彈丸直徑、不同噴丸速度下，靶材近表層產(chǎn)生的最大殘余壓應(yīng)力峰位接近，次表層產(chǎn)生的殘余壓應(yīng)力峰位隨速度的增加而加深，但近表層最大殘余壓應(yīng)力值隨速度的增加而增大；在相同噴丸速度、不同彈丸直徑的噴丸作用下，近表層產(chǎn)生的最大殘余壓應(yīng)力值的大小相近，而次表層產(chǎn)生的殘余壓應(yīng)力峰值隨彈丸直徑的增大而增加，殘余壓應(yīng)力影響層深度隨速度增加呈線(xiàn)性增加。

  304不銹鋼管是我國(guó)自行開(kāi)發(fā)的一種不銹鋼管，為進(jìn)一步提高鋼管內(nèi)表面抗蒸汽氧化腐蝕性能，要求對(duì)鋼管內(nèi)壁噴丸。在內(nèi)壁噴丸時(shí)，高速粒子的沖擊作用使內(nèi)表層的晶粒變形，使位錯(cuò)堆積、亞晶界等缺陷密度增加，有助于Cr原子在服役過(guò)程中由基體向表面氧化層的擴(kuò)散，使其在內(nèi)表面快速形成致密牢固的Cr2O3氧化層，阻止金屬進(jìn)一步氧化。噴丸強(qiáng)化機(jī)制是在金屬表面形成殘余壓應(yīng)力場(chǎng)，因此分析噴丸工藝與表面殘余應(yīng)力場(chǎng)之間的關(guān)系，了解噴丸殘余應(yīng)力場(chǎng)的分布規(guī)律，對(duì)提高噴丸工藝水平和抗高溫水蒸氣氧化腐蝕能力具有重要指導(dǎo)意義。國(guó)內(nèi)目前還少有對(duì)國(guó)產(chǎn)304不銹鋼管?chē)娡鑿?qiáng)化后殘余應(yīng)力場(chǎng)的研究以及噴丸過(guò)程數(shù)值模擬研究的相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道。國(guó)外，采用解析法分析了噴丸殘余應(yīng)力場(chǎng)，但使用的材料模型與實(shí)際噴丸靶材差異較大。有限元法(FEM)在求解噴丸殘余應(yīng)力場(chǎng)中也不斷得到應(yīng)用，至德鋼業(yè)提出了準(zhǔn)靜態(tài)模型，用二維軸對(duì)稱(chēng)噴丸模型和三維模型模擬了噴丸過(guò)程。盡管現(xiàn)有的模型能夠用來(lái)分析和解釋噴丸過(guò)程中的一些現(xiàn)象，但噴丸強(qiáng)化過(guò)程是成千上萬(wàn)個(gè)彈丸反復(fù)撞擊靶材表面并引起材料表面發(fā)生塑性變形的過(guò)程，其影響因素很多，因此要直接模擬物理過(guò)程比較困難。至德鋼業(yè)應(yīng)用三維有限元模型模擬單個(gè)鋼丸噴射國(guó)產(chǎn)304不銹鋼管后殘余應(yīng)力場(chǎng)的分布，分析中考慮了彈丸的材料性能、彈丸的直徑和速度等因素，為進(jìn)一步研究噴丸處理對(duì)提高S30432不銹鋼管抗高溫高壓水蒸氣氧化腐蝕性能的工藝及機(jī)理提供指導(dǎo)。

一、有限元模型的建立及加載

  靶材選用304不銹鋼管，采用ABAQUS\Explicit有限元分析模塊對(duì)噴丸過(guò)程進(jìn)行模擬，表列出了材料的基本力學(xué)性能。噴丸過(guò)程是接觸和碰撞問(wèn)題，因?yàn)樵诮佑|和碰撞中的響應(yīng)是不平滑的。在發(fā)生碰撞時(shí)，接觸界面的彈丸速度是瞬時(shí)不連續(xù)的。因此選擇顯式時(shí)間積分更適合于求解動(dòng)態(tài)接觸碰撞問(wèn)題。

 1. 模型幾何尺寸與位置關(guān)系

  由于噴丸本身就是許多單個(gè)彈丸撞擊靶材的過(guò)程，因此單個(gè)彈丸撞擊靶材的過(guò)程模擬是進(jìn)行噴丸成形和強(qiáng)化模擬的基礎(chǔ)，可以用于分析彈丸材料、尺寸和彈丸速度對(duì)目標(biāo)物體變形的影響。使用鋼丸噴丸時(shí)，目標(biāo)物體為圓柱體(半徑R、高度H)的幾何尺寸為：R=3mm，H=5mm；鋼丸的直徑為：D1=0.4mm，D2=0.6mm，D3=0.8mm。噴丸過(guò)程中，彈丸撞擊在靶材的表面，我們所研究的是彈丸撞擊后的應(yīng)力變化情況。所以為了縮短計(jì)算時(shí)間，在定義初始位置時(shí)，將彈丸位置定于靶材的表面上1mm處，由所定位置向靶材進(jìn)行轟擊。本文主要研究S30432鋼的殘余應(yīng)力與應(yīng)變情況，所以在模擬彈丸碰撞S30432鋼靶材的過(guò)程中，彈丸模型的變形情況不做研究。在建立相互關(guān)系時(shí)，把彈丸模型定義成剛體，即：有速度有質(zhì)量但不會(huì)塑性形變也不會(huì)彈性形變的物體。因?yàn)槎x為剛體的模型，不論它被劃分成多少個(gè)單元，有多少節(jié)點(diǎn)，實(shí)際計(jì)算中將所有節(jié)點(diǎn)的所有自由度全都耦合到模型的質(zhì)心上，這樣可大大節(jié)省計(jì)算時(shí)間。剛體只在質(zhì)心處有六個(gè)自由度，剛體的運(yùn)動(dòng)只計(jì)算質(zhì)心點(diǎn)的數(shù)值，其他點(diǎn)的位移、速度與加速度都是通過(guò)質(zhì)心點(diǎn)插值得到的，因此剛體的計(jì)算速度非常快。

  2. 載荷與邊界條件

   彈丸以一定的噴射速度撞擊304不銹鋼管表面，從而對(duì)被撞擊的目標(biāo)鋼管表面施與一沖擊載荷，在通過(guò)定義彈丸的初始速度來(lái)定義彈丸與目標(biāo)物體表面撞擊過(guò)程中的載荷。在計(jì)算過(guò)程中分別采用直徑0.4、0.6和0.8mm的彈丸以200、400和600m/s的速度進(jìn)行噴丸模擬。對(duì)于進(jìn)行噴丸模擬的靶材模型，限制目標(biāo)的六維自由度進(jìn)行約束，使其不能在任何方向平動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)。兩對(duì)稱(chēng)面分別關(guān)于x=0，y=0平面對(duì)稱(chēng)，限制彈丸的轉(zhuǎn)動(dòng)。彈丸和目標(biāo)物體的接觸是單純主控-從屬接觸。

  3. 單元網(wǎng)格劃分

   目標(biāo)物體的網(wǎng)格劃分采用單元，彈丸因定義為剛體，所以無(wú)需考慮結(jié)果收斂問(wèn)題。目標(biāo)物體采用這種縮減積分是因?yàn)榭s減積分單元在單元中心有一個(gè)積分點(diǎn)，求解時(shí)采用更精確的均勻應(yīng)變公式來(lái)計(jì)算單元應(yīng)變分量的平均值。但為了解決結(jié)果不收斂問(wèn)題，單元格劃分應(yīng)盡可能細(xì)密。網(wǎng)格劃分密度：靶材(六面體單元)：0.1～0.12mm；不同直徑彈丸均為0.1mm。

二、噴丸計(jì)算結(jié)果分析

  1. 噴丸速度對(duì)殘余應(yīng)力的影響

    圖為不同彈丸直徑時(shí)噴丸速度對(duì)表面應(yīng)力的影響。由圖可看出，速度為200m/s時(shí)，在表面處產(chǎn)生-540MPa的最大殘余壓應(yīng)力；速度為400m/s時(shí)，表面處的殘余壓應(yīng)力為-580MPa，且最大殘余壓應(yīng)力峰值為在距表面深度0.05mm處的-610MPa，但在距表面0.25mm深度處時(shí)出現(xiàn)次表層噴丸強(qiáng)化特征；速度為600m/s時(shí)，表面殘余壓應(yīng)力增加到-650MPa，但最大殘余應(yīng)力峰值仍出現(xiàn)在距離表面深度0.05mm處的-1100MPa，仍具有次表層噴丸強(qiáng)化特征。噴丸層影響區(qū)域隨噴丸速度的增大而加深。由圖可看出，彈丸速度為200m/s時(shí)，在距離表面深度0.1mm處出現(xiàn)-570MPa的殘余壓應(yīng)力峰值，在次表層0.3mm處存在-310MPa的殘余壓應(yīng)力；在400m/s時(shí)，在距離表面0.1mm處出現(xiàn)-630MPa殘余壓應(yīng)力峰值，次表層噴丸強(qiáng)化特征的深度為0.45mm，較200m/s時(shí)增加了0.15mm，殘余壓應(yīng)力值也增加到-450MPa；當(dāng)速度再提升至600m/s時(shí)，在深度0.1mm處出現(xiàn)殘余壓應(yīng)力峰值-1200MPa。由圖1(c)可看出，速度為200m/s時(shí)，在距離表面0.15mm深度處殘余壓應(yīng)力達(dá)到最大值-580MPa；在400m/s時(shí)，在深度0.15mm處出現(xiàn)殘余壓應(yīng)力峰值-690MPa；在600m/s時(shí)，在0.15mm深度出現(xiàn)的最大殘余壓應(yīng)力峰值達(dá)到-1350MPa。三種不同的噴丸速度下，材料表面殘余壓應(yīng)力的變化不大，最大殘余應(yīng)力的峰位比較接近，但噴丸影響層的深度隨著噴丸速度的增加而增大。通過(guò)上述比較發(fā)現(xiàn)，在相同彈丸直徑、不同的噴丸速度下，噴丸層材料中最大殘余應(yīng)力的峰位基本相同。

  2. 彈丸直徑對(duì)殘余應(yīng)力的影響

    a. 殘余應(yīng)力分布的比較

     由圖可以看出，在噴丸速度200m/s的情況下，當(dāng)彈丸直徑為0.4mm時(shí)，殘余壓應(yīng)力峰值位置在材料表面，彈丸直徑0.6mm時(shí)，殘余壓應(yīng)力峰值位置在距離表面深度0.1mm處。彈丸速度達(dá)到600m/s時(shí)，殘余壓應(yīng)力峰值位置在距離表面深度0.15mm處。從圖中分析可知，殘余壓應(yīng)力層的深度隨彈丸直徑變大而加深，同時(shí)次表層強(qiáng)化特征隨直徑的增加更明顯。由圖可看出，當(dāng)噴丸速度為400m/s時(shí)，隨彈丸直徑的增大，最大殘余應(yīng)力的峰位離表面的距離逐漸加大。當(dāng)彈丸直徑為0.4mm時(shí)，殘余壓應(yīng)力峰值位置在距離表面深度0.05mm處，殘余壓應(yīng)力層影響區(qū)間為0.5mm，次表面強(qiáng)化較為特征明顯；當(dāng)噴丸直徑增大到0.6mm時(shí)，殘余壓應(yīng)力峰值位置在距離表面深度0.1mm處，殘余壓應(yīng)力層的深度約為0.65mm；當(dāng)彈丸直徑增大到0.8mm時(shí)，殘余壓應(yīng)力峰值位置在距離表面深度0.15mm處，殘余壓應(yīng)力層深度約為0.9mm。但在材料深處隨彈丸直徑的增大，局部產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力。由圖可看出，在噴丸速度為600m/s時(shí)，殘余應(yīng)力影響層厚度隨彈丸直徑的增加而加大，近表層產(chǎn)生的殘余壓應(yīng)力平均數(shù)值增大。當(dāng)彈丸直徑為0.4mm時(shí)，殘余壓應(yīng)力峰值出現(xiàn)在距離表面0.05mm，殘余壓應(yīng)力層厚0.6mm，彈丸直徑0.6mm時(shí)，殘余壓應(yīng)力峰值出現(xiàn)在距離表面0.1mm處，殘余壓應(yīng)力層厚1.2mm，是彈丸直徑0.4mm時(shí)的殘余應(yīng)力層的2倍。彈丸直徑0.8mm時(shí)，殘余壓應(yīng)力峰值出現(xiàn)在距離表面0.15mm處，殘余壓應(yīng)力層厚度為1.3mm，次表層強(qiáng)化特征較之前的兩種彈丸直徑有很大程度的增加。由此可以得出，在噴丸速度一定的情況下，改變彈丸直徑的大小對(duì)噴丸后殘余壓應(yīng)力峰值出現(xiàn)位置的深度有較大程度的影響，除此之外，還與噴丸后的殘余應(yīng)力層的厚度也有密切聯(lián)系，且都是隨著彈丸直徑的增大，呈現(xiàn)較為明顯的線(xiàn)性增長(zhǎng)趨勢(shì)。

    b. 殘余壓應(yīng)力峰值大小比較

    在對(duì)不同噴丸彈丸直徑對(duì)殘余應(yīng)力分布的比較中可以看出，在相同的噴丸速度下，改變彈丸直徑，對(duì)殘余壓應(yīng)力峰值大小的變化沒(méi)有太大影響，但對(duì)殘余壓應(yīng)力峰值深度的出現(xiàn)位置有較大程度的影響。由圖可以看到，在相同的噴丸速度下，彈丸直徑對(duì)殘余壓應(yīng)力峰值的影響比較小，只有在噴丸速度為600m/s時(shí)，殘余壓應(yīng)力峰值變化量較顯著。說(shuō)明在噴丸速度較低的情況下，彈丸直徑對(duì)殘余壓應(yīng)力峰值大小的改變不明顯，只有當(dāng)速度達(dá)到較高值時(shí)，彈丸直徑對(duì)殘余壓應(yīng)力峰值的增加有一定影響。由此可知，在噴丸速度一定的情況下，彈丸直徑基本不影響殘余壓應(yīng)力峰值的變化。

三、結(jié)論

   1. 在相同彈丸直徑下，不同噴丸速度產(chǎn)生的近表層最大殘余壓應(yīng)力峰位相近，最大殘余壓應(yīng)力的大小隨噴丸速度的增加而增大；次表層產(chǎn)生的殘余壓應(yīng)力峰位隨噴丸速度的增大而加深。

   2. 在相同噴丸速度下，隨彈丸直徑的增大，殘余壓應(yīng)力影響層的深度呈線(xiàn)性增加，近表層產(chǎn)生的最大殘余壓應(yīng)力值的大小相近，而次表層產(chǎn)生的殘余壓應(yīng)力峰值隨彈丸直徑的增大而增加。