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抗疲劳梯度纳米加工技术

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1、高束能时效

残余应力是物体发生塑性变形后微观晶粒发生位错和畸变的结果,这时物体的内能除位错能外,还有位错组态能、弹性性能,总能较高,从热力学的角度看是不稳定的选择合适的冲击频率对物体进行冲击。如果冲击提供的能量缺乏以使位错运动和打破原来的位错结构,残余应力自然不会发生变化。如果冲击能够驱使位错运动,迫使晶粒回复到平衡位置,原来的位错结构被打破,重新形成新的低组态能的结构,则残余应力重新分布,得到释放。

镜面加工设备

利用超声高频以每秒二万次以上的频率推进冲击工件沿焊缝方向的焊趾部位进行冲击时效,具有高频率、大能量和聚焦性能好的特点,使金属焊接处表层压组织发生压缩塑性变形,使得在焊趾处的发生圆滑的几何过渡,焊趾处的余高和凹坑发生流变,焊趾处表层的微小裂纹和熔渣缺陷得到了消除,有效预置萌生源,改变原有的应力集中场,预置高值压应力,超声冲击应力消除对:焊趾几何形状、残余应力、微观裂纹和熔渣等缺点、外表强化等,大大幅度提高焊接接头的疲惫强度和疲惫寿命。

超声冲击能够显著提高金属焊接接头及结构的疲劳强度,大幅度延长其疲劳寿命;消除残余拉应力,并使被冲击部位发生压应力,从而提高工件的承载能力;有效改善焊趾的几何形状,大大降低焊趾处的应力集中系数,其效果大大优于TIG工艺;消除焊趾表层微小裂纹和焊接缺陷,抑制裂纹提前萌生;强化金属零件外表,提高外表质量和使用寿命。该设备高效、节能、无污染、使用方便,不受工件形状、场地、环境的限制,处置效果显著。

通过采用外场作用改善焊缝性能的方法有许多研究和应用,超声冲击Ultrasonic impact treatmentUIT就是一种很有效的方法之一。通过焊后超声冲击可以大大提高焊接接头的疲劳强度,能提高接头疲劳寿命几倍甚至几十倍以上。残余应力的大小是影响焊接结构性能的重要指标,超声冲击后残余应力的变化是导致焊缝疲劳性能改善的主要原因之一。

通常情况下,焊趾是疲劳的裂纹源区域之一,故焊趾冲击可以改善焊趾应力集中,提高焊接接头的疲劳寿命。全覆盖冲击的消应力效果包括由于冲击生成的外表压应力对原始应力分布的调整以及超声振动时效的作用,其表示为生成压应力的薄层。压应力层应该处于焊缝的浅表面小于5mm对近表面的拉应力有较明显的消除效果。

抗疲劳梯度纳米镜面加工

2、焊接接头微观组织的改善

超声冲击处置可在接头表层形成尺寸均匀、取向随机分布的细晶组织,大幅消除了气孔、缩松等焊接缺陷,接头显微硬度显著提高超声冲击处置后,焊接接头外表发生了剧烈的塑性变形,形成了一个组织致密的外表层,表层晶粒得以大幅度细化,并产生了随机的晶体学取向,取向随机性主要是由于高密度位错增值所造成的超声冲击处置后,焊缝、焊趾以及与其相连的母材的硬度均有了明显的提高。高密度位错和晶粒细化是超声冲击处置提高焊接接头强度和硬度的主要因素,这对提高焊接接头的综合力学性能有着重要的作用。

3、焊接接头疲劳特性的改善

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目前,国内外对超声冲击机理的研究主要集中在超声冲击处置后,疲劳性能改变上。很多学者都偏重于从具体疲劳试验人手,通过分析疲劳试验的数据来揭示材料的疲劳行为。主要从S-N曲线、裂纹起源、裂纹扩展等方面研究疲劳特性。

在普通的实效处理中,超声振幅15μm、冲击频率为20000次、功率为960W的情况下,外表面存在冲击实效层厚度约为3~5mm,塑形变形层也可达到1~1.5毫米,高束能最深实效层可达到十几毫米深。强化层该层是接头试样外表经超声冲击强化处置所形成的外表组织致密层,该强化层能延缓或阻止滑移在外表的形成,使疲劳裂纹源下移冲击强化在试样外表形成压应力,也使得裂纹源下移,萌生在次表层的冶金缺陷处。超声冲击处置后,焊接接头试样疲劳裂纹扩展速率变小.这从微观上证明了超声冲击处置延缓了疲劳裂纹扩展速率。

外表纳米化技术能够在资料外表制备出一定厚度的纳米晶层,从而将纳米材料的优异性能与激进工程资料相结合,其中以外表纳米化技术应用最为广泛,如外表机械研磨、高能喷丸、超声喷丸和超音速微粒轰击等,然而,不恰当的处置工艺会造成资料外表状态的恶化,发生压痕交叠、微裂纹等表面缺陷,引起应力集中,降低结构的疲劳强度,加快腐蚀和磨损。超声外表滚压加工(USRP作为一种新兴的超声辅助外表改性方法可以兼顾晶粒细化、加工硬化与外表粗糙度等问题,现在较为流行的实现金属纳米梯度加工。

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4、高束能现有技术的应用

高束能冲击做了质的改变,根据不同的零件设计不同的频率(15KHz、18KHz)大功率换能器(最高可大10KW,功率大、强发力),可以根据客户要求设计半波段、整波、两波段或多波段的应用,长短可调整,长波段变幅杆有效的解决了散热问题。大振幅设计,通过高性能材料(钛合金)解决疲劳问题,振幅最大可大100μm(冲击针振幅幅度可达5mm、加冲击垫片振幅可以更大)。冲击针可设计为多种形式,减小冲击面、加大冲击压强更有效的加大了冲击层深度。