至德鋼業(yè)304不銹鋼管表面噴丸殘余應力場的分析

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

  304不銹鋼管是我國自行開發(fā)的一種不銹鋼管，為進一步提高鋼管內表面抗蒸汽氧化腐蝕性能，要求對鋼管內壁噴丸。在內壁噴丸時，高速粒子的沖擊作用使內表層的晶粒變形，使位錯堆積、亞晶界等缺陷密度增加，有助于Cr原子在服役過程中由基體向表面氧化層的擴散，使其在內表面快速形成致密牢固的Cr2O3氧化層，阻止金屬進一步氧化。噴丸強化機制是在金屬表面形成殘余壓應力場，因此分析噴丸工藝與表面殘余應力場之間的關系，了解噴丸殘余應力場的分布規(guī)律，對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意義。國內目前還少有對國產304不銹鋼管噴丸強化后殘余應力場的研究以及噴丸過程數值模擬研究的相關文獻報道。國外，采用解析法分析了噴丸殘余應力場，但使用的材料模型與實際噴丸靶材差異較大。有限元法(FEM)在求解噴丸殘余應力場中也不斷得到應用，至德鋼業(yè)提出了準靜態(tài)模型，用二維軸對稱噴丸模型和三維模型模擬了噴丸過程。盡管現有的模型能夠用來分析和解釋噴丸過程中的一些現象，但噴丸強化過程是成千上萬個彈丸反復撞擊靶材表面并引起材料表面發(fā)生塑性變形的過程，其影響因素很多，因此要直接模擬物理過程比較困難。至德鋼業(yè)應用三維有限元模型模擬單個鋼丸噴射國產304不銹鋼管后殘余應力場的分布，分析中考慮了彈丸的材料性能、彈丸的直徑和速度等因素，為進一步研究噴丸處理對提高S30432不銹鋼管抗高溫高壓水蒸氣氧化腐蝕性能的工藝及機理提供指導。

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有限元分析模塊對噴丸過程進行模擬，表列出了材料的基本力學性能。噴丸過程是接觸和碰撞問題，因為在接觸和碰撞中的響應是不平滑的。在發(fā)生碰撞時，接觸界面的彈丸速度是瞬時不連續(xù)的。因此選擇顯式時間積分更適合于求解動態(tài)接觸碰撞問題。

 1. 模型幾何尺寸與位置關系

  由于噴丸本身就是許多單個彈丸撞擊靶材的過程，因此單個彈丸撞擊靶材的過程模擬是進行噴丸成形和強化模擬的基礎，可以用于分析彈丸材料、尺寸和彈丸速度對目標物體變形的影響。使用鋼丸噴丸時，目標物體為圓柱體(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力變化情況。所以為了縮短計算時間，在定義初始位置時，將彈丸位置定于靶材的表面上1mm處，由所定位置向靶材進行轟擊。本文主要研究S30432鋼的殘余應力與應變情況，所以在模擬彈丸碰撞S30432鋼靶材的過程中，彈丸模型的變形情況不做研究。在建立相互關系時，把彈丸模型定義成剛體，即：有速度有質量但不會塑性形變也不會彈性形變的物體。因為定義為剛體的模型，不論它被劃分成多少個單元，有多少節(jié)點，實際計算中將所有節(jié)點的所有自由度全都耦合到模型的質心上，這樣可大大節(jié)省計算時間。剛體只在質心處有六個自由度，剛體的運動只計算質心點的數值，其他點的位移、速度與加速度都是通過質心點插值得到的，因此剛體的計算速度非?？?。

  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，從而對被撞擊的目標鋼管表面施與一沖擊載荷，在通過定義彈丸的初始速度來定義彈丸與目標物體表面撞擊過程中的載荷。在計算過程中分別采用直徑0.4、0.6和0.8mm的彈丸以200、400和600m/s的速度進行噴丸模擬。對于進行噴丸模擬的靶材模型，限制目標的六維自由度進行約束，使其不能在任何方向平動或轉動。兩對稱面分別關于x=0，y=0平面對稱，限制彈丸的轉動。彈丸和目標物體的接觸是單純主控-從屬接觸。

  3. 單元網格劃分

   目標物體的網格劃分采用單元，彈丸因定義為剛體，所以無需考慮結果收斂問題。目標物體采用這種縮減積分是因為縮減積分單元在單元中心有一個積分點，求解時采用更精確的均勻應變公式來計算單元應變分量的平均值。但為了解決結果不收斂問題，單元格劃分應盡可能細密。網格劃分密度：靶材(六面體單元)：0.1～0.12mm；不同直徑彈丸均為0.1mm。

二、噴丸計算結果分析

  1. 噴丸速度對殘余應力的影響

    圖為不同彈丸直徑時噴丸速度對表面應力的影響。由圖可看出，速度為200m/s時，在表面處產生-540MPa的最大殘余壓應力；速度為400m/s時，表面處的殘余壓應力為-580MPa，且最大殘余壓應力峰值為在距表面深度0.05mm處的-610MPa，但在距表面0.25mm深度處時出現次表層噴丸強化特征；速度為600m/s時，表面殘余壓應力增加到-650MPa，但最大殘余應力峰值仍出現在距離表面深度0.05mm處的-1100MPa，仍具有次表層噴丸強化特征。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，在距離表面深度0.1mm處出現-570MPa的殘余壓應力峰值，在次表層0.3mm處存在-310MPa的殘余壓應力；在400m/s時，在距離表面0.1mm處出現-630MPa殘余壓應力峰值，次表層噴丸強化特征的深度為0.45mm，較200m/s時增加了0.15mm，殘余壓應力值也增加到-450MPa；當速度再提升至600m/s時，在深度0.1mm處出現殘余壓應力峰值-1200MPa。由圖1(c)可看出，速度為200m/s時，在距離表面0.15mm深度處殘余壓應力達到最大值-580MPa；在400m/s時，在深度0.15mm處出現殘余壓應力峰值-690MPa；在600m/s時，在0.15mm深度出現的最大殘余壓應力峰值達到-1350MPa。三種不同的噴丸速度下，材料表面殘余壓應力的變化不大，最大殘余應力的峰位比較接近，但噴丸影響層的深度隨著噴丸速度的增加而增大。通過上述比較發(fā)現，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力的峰位基本相同。

  2. 彈丸直徑對殘余應力的影響

    a. 殘余應力分布的比較

     由圖可以看出，在噴丸速度200m/s的情況下，當彈丸直徑為0.4mm時，殘余壓應力峰值位置在材料表面，彈丸直徑0.6mm時，殘余壓應力峰值位置在距離表面深度0.1mm處。彈丸速度達到600m/s時，殘余壓應力峰值位置在距離表面深度0.15mm處。從圖中分析可知，殘余壓應力層的深度隨彈丸直徑變大而加深，同時次表層強化特征隨直徑的增加更明顯。由圖可看出，當噴丸速度為400m/s時，隨彈丸直徑的增大，最大殘余應力的峰位離表面的距離逐漸加大。當彈丸直徑為0.4mm時，殘余壓應力峰值位置在距離表面深度0.05mm處，殘余壓應力層影響區(qū)間為0.5mm，次表面強化較為特征明顯；當噴丸直徑增大到0.6mm時，殘余壓應力峰值位置在距離表面深度0.1mm處，殘余壓應力層的深度約為0.65mm；當彈丸直徑增大到0.8mm時，殘余壓應力峰值位置在距離表面深度0.15mm處，殘余壓應力層深度約為0.9mm。但在材料深處隨彈丸直徑的增大，局部產生殘余拉應力。由圖可看出，在噴丸速度為600m/s時，殘余應力影響層厚度隨彈丸直徑的增加而加大，近表層產生的殘余壓應力平均數值增大。當彈丸直徑為0.4mm時，殘余壓應力峰值出現在距離表面0.05mm，殘余壓應力層厚0.6mm，彈丸直徑0.6mm時，殘余壓應力峰值出現在距離表面0.1mm處，殘余壓應力層厚1.2mm，是彈丸直徑0.4mm時的殘余應力層的2倍。彈丸直徑0.8mm時，殘余壓應力峰值出現在距離表面0.15mm處，殘余壓應力層厚度為1.3mm，次表層強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噴丸后殘余壓應力峰值出現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力層的厚度也有密切聯系，且都是隨著彈丸直徑的增大，呈現較為明顯的線性增長趨勢。

    b. 殘余壓應力峰值大小比較

    在對不同噴丸彈丸直徑對殘余應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，對殘余壓應力峰值大小的變化沒有太大影響，但對殘余壓應力峰值深度的出現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，彈丸直徑對殘余壓應力峰值的影響比較小，只有在噴丸速度為600m/s時，殘余壓應力峰值變化量較顯著。說明在噴丸速度較低的情況下，彈丸直徑對殘余壓應力峰值大小的改變不明顯，只有當速度達到較高值時，彈丸直徑對殘余壓應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力峰值的變化。

三、結論

   1. 在相同彈丸直徑下，不同噴丸速度產生的近表層最大殘余壓應力峰位相近，最大殘余壓應力的大小隨噴丸速度的增加而增大；次表層產生的殘余壓應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，殘余壓應力影響層的深度呈線性增加，近表層產生的最大殘余壓應力值的大小相近，而次表層產生的殘余壓應力峰值隨彈丸直徑的增大而增加。