一种转角激光冲击强化残余应力分析方法与流程

1.本发明涉及材料强化技术领域，具体涉及一种转角激光冲击强化分析方法。


背景技术：

2.由于孔区、壁板底部转角等部位是典型的应力集中部位，采用激光冲击强化可以获得理想的残余压应力分布，提高疲劳性能，但小曲率半径内圆转角r区激光冲击强化后残余应力测试存在很大困难，影响激光冲击强化后性能评估等。相关技术中采用的评估方法一般有钻孔法、x射线衍射等，钻孔法属于破坏性测量，可以通过孔边缘的应变片测试的应变反推钻孔区的平均应力，x射线衍射需要一定的偏摆角度，以上方法对小曲率半径内圆转角r区都存在困难。


技术实现要素：

3.本发明实施例提供了一种转角激光冲击强化残余应力分析方法，能够高效、准确的分析转角区域的残余应力分布情况。
4.第一方面，本发明的实施例提出了一种转角残余应力分析方法，包括如下步骤：
5.步骤1：制作试件，所述试件的形状为l型，且所述试件包括依次连接的第一段、第二段和第三段，所述第二段为圆弧段，且所述第二段在其厚度方向相对布置有第一侧面和第二侧面，所述第一侧面为圆弧面；
6.步骤2：对所述第二段进行激光冲击强化；
7.步骤3：测量激光冲击强化后所述第一段和所述第三段之间的角度；
8.步骤4：根据所述角度计算所述第二段的塑性变形量。
9.可选地，所述第二侧面为圆弧面，所述第二侧面在90
°
区间内角度变化的计算公式：其中r为第一侧面的半径，t为塑性变形的深度，rcenter为塑性变形中性面的半径，r为微积分变量也就是塑性变形层半径，i为所述第二段的2
°
范围内的转动惯性矩，ε0为第一侧面的激光冲击强化固有应变率。
10.可选地，所述第二侧面为斜面。
11.可选地，所述第一段的长度为l1，所述第二段的长度为l2，且15mm≤l1＝l2≤20mm。
12.可选地，所述步骤4包括在所述第二侧面上选取至少三个测量点，至少三个所述测量点在同一直线上以形成测量线，且计算至少三个测量点中位于中间部分的所述测量点的曲率半径，根据所述曲率半径得到第一侧面的实际应变率。
13.可选地，所述第一侧面的应变率的计算公式为：ε0＝t/ρ，其中t为第一侧面到塑性变形中心面，ρ为所述第一侧面的实际应变率。
14.可选地，所述第一侧面的应变率的计算公式为：ρ2＝w2/2h，其中h为轮廓深度，w为
所述测量线的长度。
15.可选地所述分析方法还包括步骤5：通过显微硬度测量所述第一侧面的塑性变形深度，相当于残余压应力深度t。
16.可选地，所述分析方法还包括步骤6：利用剥层法进行残余应力测试。
17.综上，本发明的转角激光冲击强化残余应力分析方法通过变形测试和剥层法进行残余应力影响、通过显微硬度测试得到激光冲击强化塑性变形层的深度，按照塑性变形程度随深度线性变化的一般规律，通过变形测量、剥层法进行残余应力测试和计算结合，可以高效、准确的分析转角区域的残余应力分布情况。
附图说明
18.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
19.图1是本发明实施例中试件的结构示意图，且未经过激光冲击强化；
20.图2是图1中所示试件经过激光冲击强化后的结构示意图；
21.图3是本发明实施例中另一试件的结构示意图；
22.图4是图3中所示试件经过激光冲击强化后的结构示意图；
23.图5是本发明测量点选取示意图，且试件未做激光冲击强化；
24.图6是本发明测量点选取示意图，且试件为激光冲击强化后的试件；
25.图7是本发明曲率半径计算示意图。
26.图8是本发明显微硬度测量示意图。
27.图9是本发明实施的试件的第一侧面的微积分模型。
具体实施方式
28.下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例的详细描述和附图用于示例性地说明本发明的原理，但不能用来限制本发明的范围，即本发明不限于所描述的实施例，在不脱离本发明的精神的前提下覆盖了零件、部件和连接方式的任何修改、替换和改进。
29.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参照附图并结合实施例来详细说明本技术。
30.图1至图9所示是本发明实施例的，包括如下步骤：转角激光冲击强化残余应力分析方法，包括如下步骤：
31.步骤1：制作试件，所述试件的形状为l型，且所述试件包括依次连接的第一段、第二段和第三段，所述第二段为圆弧段，且所述第二段在其厚度方向相对布置有第一侧面和第二侧面，所述第一侧面为圆弧面.
32.具体地，如图1和图2所示，第二段位于第一段和第三段之间，第一段和第三段之间的夹角呈90
°
。第一段、第二段和第三段一体成型。第一侧面为弧形面。
33.步骤2：对所述第二段进行激光冲击强化。
34.具体地，第一侧面进行激光冲击强化，则第二段发生塑性变形。
35.步骤3：测量激光冲击强化后所述第一段和所述第三段之间的角度；
36.步骤4：根据所述角度计算所述第二段的塑性变形量。
37.可选地，所述第二侧面为圆弧面，所述90度内r区角度变形量的计算公式：其中r为第一侧面的半径，t为塑性变形的深度，rcenter为塑性变形中心面的半径，r为塑性变形中心面的半径，i为试件r结构2
°
范围内的转动惯性矩，可通过acad软件画图功能获得或者以扇形或者近似梯形计算获得，ε0为第一侧面的激光冲击强化固有应变率。
38.需要说明的是，r≤r≤r+d。
39.要想通过试件的变形计算转角区的残余应力，假设试件结构如图9所示，以内r的圆心建立极坐标的圆心，图中标识的r1为试件的内圆半径，r1＝3～6mm，假设激光冲击强化塑性变形层深度为t，一般t＝0.5～1.5mm，较大厚度试件(大于残余应力深度3倍以上)，塑形变形层深度进行可以通过试件侧面变形深度或者微硬度变大的深度测量获得。假设极坐标下激光冲击强化下产生的固有应变率ε为半径和角度的函数为ε(r2θ)，其在角度变量微积分单元dθ区域产生的角度变形可通过微积分单元的应变率和转动惯性矩获得。
40.激光冲击强化产生的角度变化为
41.为简化计算，圆弧段内可认为均匀激光冲击强化，也就是假设角度范围内变化规律一样，我们以半径作为微积分的变化单元，对r区选取2
°
(也可以选取1
°
，但公式中i的计算，角度计算中倍数关系相应变化)范围内扇形块进行变形分析，内r表面产生的塑性变形最大，固有应变率最高，获得的残余压应力最大，随深度增加，激光冲击强化产生应变率基本上随深度线性递减，假设内r表面应变率ε0，深度为t，应变率ε0从表面到深度处线性衰减到0，假设以圆弧为极坐标中心的r处(r≤r≤r+d)，其应变εr＝ε0[1-(r-r)/d]，该应变对试件2
°
范围内圆弧段产生的角变形中心面在rcenter处，2
°
范围内角度变形为
[0042][0043]
dr为以r为变量的微积分单元，假设整个弧面具有相同规律，90度范围内角变形为2
°
范围内角度变形的45倍，也就是
[0044][0045]
其中r为第一侧面的半径，t为塑性变形的深度，rcenter为塑性变形中心面的半径，r为塑性变形中心面的半径，i为r结构2
°
范围内的转动惯性矩，可通过acad软件画图功能获得或者以扇形或者近似梯形计算获得，ε0为第一侧面的激光冲击强化固有应变率。
[0046]
可选地，所述第二侧面为斜面。
[0047]
具体地，如图2所示，第二侧面为呈45
°
的斜面。
[0048]
可选地，所述第一段的长度为l1，所述第二段的长度为l2，且15mm≤l1＝l2≤20mm。
[0049]
需要说明的是，试件的厚度可以为10mm至15mm，试件的宽度可以为4mm至20mm。
[0050]
可选地，所述步骤4包括在所述第二侧面上选取至少三个测量点，至少三个所述测量点在同一直线上以形成测量线，且计算至少三个测量点中位于中间部分的所述测量点的曲率半径，根据所述曲率半径得到第一侧面的应变率。
[0051]
具体地，如图3和图4所示，测量点在同一条直线上以形成测量线。
[0052]
需要说明的是，测量点采用打显微硬度的方法制作的压制凹坑、激光打标点、微激光冲击点或者针尖点。采用轮廓仪或者显微镜描绘测量点之间的轮廓线，由于初始状态是平面，因此初始轮廓线为直线。对第一侧面进行激光冲击强化后，由于强化层塑性变形的影响，第二段会产生变形，导致第二侧面变成曲面，通过以上几何测量的方法测试出测量点之间的轮廓线，对比出激光冲击强化前后第二侧面曲率半径的变化，通过计算位于中间部分的测量点的曲率半径，根据曲率半径得到第一侧面的应变率。
[0053]
可选地，所述第一侧面的应变率的计算公式为：ε0＝t/ρ，其中t为第一侧面到塑性变形中心面，ρ为所述第一侧面的应变率。需要说明的是，t＝3-12.25。
[0054]
可选地，所述第一侧面的应变率的计算公式为：ρ2＝w2/2h，其中h为轮廓深度，w为所述测量线的长度。
[0055]
可选地，所述分析方法还包括步骤5：通过显微硬度测量所述第一侧面的塑性变形量。
[0056]
具体地，如图8所示，显微硬度测量由第一侧面向第二侧面呈直线测量，即图8中所示的虚线为测量路径，从而更加准确的分析激光冲击强化后的第二段的每个层面的应力分布情况。
[0057]
可选地，所述分析方法还包括步骤6：利用剥层法进行残余应力测试。
[0058]
需要说明的是，利用剥层法由第一侧面向第二侧面逐步分析每一层面的应力分布情况，从而验证塑性变形量计算的准确性或根据的剥层法的分析数据调整塑性变形量计算公式的参数范围，进而提高了转角残余应力分析数据的准确性。
[0059]
本发明的转角激光冲击强化残余应力分析方法通过变形测试和剥层法进行残余应力影响、通过显微硬度测试得到激光冲击强化塑性变形层的深度，按照塑性变形程度随深度线性变化的一般规律，通过变形测量、剥层法进行残余应力测试和计算结合，可以高效、准确的分析转角区域的残余应力分布情况。
[0060]
下面参照图1至图8描述本发明转角残余应力分析方法一些具体示例。
[0061]
第一侧面和第二侧面均为圆弧面，且第一侧面的半径r＝3，第二侧面的半径为18，r为12.25，i＝85.5，t＝1mm，则
[0062]
由于应变值及大小相比厚度很小，则忽略应变导致的整个方向的延伸，只考虑弯矩平衡，由此得出残余应力值e＝ε0，且e为材料的弹性模量。
[0063]
需要明确的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之
间相同或相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。对于方法的实施例而言，相关之处可参见设备实施例的部分说明。本发明并不局限于上文所描述并在图中示出的特定步骤和结构。并且，为了简明起见，这里省略对已知方法技术的详细描述。
[0064]
以上所述仅为本技术的实施例而已，并不限制于本技术。在不脱离本发明的范围的情况下对于本领域技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的权利要求范围内。