《高服役性能零件加工表面残余应力及其效应的预测、评价与控制方法》

该项目属制造与工程科学领域“高服役性能核心部件、高性能零件设计制造的原理与方法“方向。项目依托国家973计划项目的前后二个课题,分别以船舶动力定位推进装备的动力部件-大功率调距桨、核主泵中的难加工材料零件为对象,研究了长寿命服役零件在复杂约束下的加工质量评价与溯源控制的共性理论与方法。

围绕现代重大装备制造中关键零部件长寿命、高可靠性服役对切削加工表面完整性评价和表层性能控制关键理论问题,特别是高性能制造对加工表面残余应力及其效应控制提出的新挑战,以典型的耐蚀韧性金属材料316不锈钢和镍铝青铜为代表,研究了加工表面完整性的演变及加工表面与环境的相互作用,揭示了切削加工表面残余应力生成机理以及切削表面层性能变化对应力腐蚀行为的影响规律,为零件加工表面残余应力控制提供了科学依据。主要内容包括:

1)切削状态量的分布特征与残余应力形成机理。系统地建立了剪切区温度、加工表面层温度场、应力场分布等状态变量的解析表达模型,克服了传统实验模型不能准确反映这些切削状态量在时间域上连续变化的难题。提出的理论模型考虑剪切区应变率非对称变化、被加工表面的冷却过程模型,更准确阐明了切削移动热源导致的热影响区变化特征与主剪切区温度分布特征;发现不准确的加工表层初始应力状态是造成残余应力分布预测误差的重要原因。研究结果揭示了韧性材料去除中影响主剪切区温升、热应力变化的物理机理,所获得的加工表层温度、应力等状态量时空变化历程应用于准确模拟残余应力形成与演变机制,为合理地控制切削过程变量,从而提高加工表面性能提供了必要理论依据。

2)加工表面应力腐蚀对残余应力敏感性评价。零部件服役性能体现为长期使用过程中的性能变化,包括在特定工作环境下抗腐蚀、抗疲劳能力。针对腐蚀环境下切削加工表面开裂行为和残余应力对应力腐蚀性能影响评价,研究了切削加工表面应力腐蚀裂纹萌生行为。实验调查结果表明加工残余应力水平、方向与应力腐蚀微裂纹密度具有显著相关性;发现表面残余应力导致的应力腐蚀开裂存在一个残余应力临界值,当残余应力大于这一临界值时,应力腐蚀微裂纹高密度萌生。这一结果为从抗应力腐蚀角度控制加工残余应力提供了依据。应力腐蚀微裂纹密度与残余应力关系研究和残余应力临界值的发现也为氧化膜的强度测量这个难题提供了一种可靠技术途径。研究结果为高服役应力下零件加工表面完整性控制、抑制加工表面材料应力腐蚀开裂提供了科学依据。

3)残余应力、温度场测量与损伤识别定位方法。针对力-热载荷作用下切削变形区应力/应变分布及演变规律分析,建立了高温/大应变的光纤光栅同步测量方法,解决了力-热耦合作用下切削应变和温度测量中非线性耦合和不确定性误差分析的难题。为克服X射线应力测量中多相组织导致的不确定性问题,对合金组织进行了定性与定量分析,提出了应力测量中系统误差的贝叶斯矫正方法,解决了复杂多相合金镍铝青铜的X射线应力测量存在的不确定性问题。针对构件在服役环境下的应变响应与结构完整性评价,提出环境激励下的应变模态参数的识别、不确定性度量与损伤定位方法,建立识别结构应变模态参数及其不确定性的贝叶斯应变谱方法,解决了基于应变模态参数的损伤检测及定位问题。

该项目主要特点:建立了面向功能/性能的残余应力特征参数表征与控制的理论与方法。提出了基于切削过程状态量的残余应力预测方法,为解决切削工艺参数与残余应力的关联与控制提供了分析方法。通过解决切削过程状态量的可测性、加工件表面层特征的评价与可控性问题,实现了加工表面残余应力的预测、评价与控制机制的创新。

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