切削加工殘余應(yīng)力對(duì)GH4169高溫合金小裂紋尖端力學(xué)特性研究

馬穎化

(陜西國(guó)防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院智能制造學(xué)院,陜西 西安 710300)

切削加工過(guò)程中已加工表面受刀具后刀面擠壓、摩擦，在熱力耦合作用下材料表面變質(zhì)層產(chǎn)生殘余應(yīng)力，殘余應(yīng)力會(huì)使零件表面萌生裂紋或變形，影響零件表面硬度及疲勞壽命[1]。GH4169高溫鎳基合金(簡(jiǎn)稱(chēng)GH4169高溫合金)因其良好的力學(xué)性能，常用于制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)中易受高溫、高應(yīng)變率載荷的零件(如機(jī)匣、葉片、渦輪盤(pán))；因?qū)崧始氨葻崛菪　⒏邷貜?qiáng)度高、黏性大等特點(diǎn)，在切削加工過(guò)程中材料容易產(chǎn)生高溫、加工硬化、塑性變形和表面殘余應(yīng)力等現(xiàn)象，導(dǎo)致零件發(fā)生變形和畸變，造成極大安全隱患[2-3]。

卜居安等[4]研究了GH4169高溫合金切削殘留變形及切削力，研究結(jié)果表明，切削深度增大使得較大應(yīng)力分布面積明顯增大，切削力也隨切削深度增加而增大。徐建建等[5]對(duì)預(yù)應(yīng)力切削加工TC4鈦合金表面殘余應(yīng)力進(jìn)行研究，結(jié)果顯示預(yù)應(yīng)力切削可以調(diào)整已加工表面殘余應(yīng)力分布狀態(tài)和大小，預(yù)應(yīng)力越大，加工表面的殘余壓應(yīng)力越大。劉魯濤[6]研究了高速切削GH4169高溫合金表面殘余應(yīng)力，結(jié)果表明，要獲得較好的表面殘余應(yīng)力狀態(tài)，在銑削寬度一定的情況下，應(yīng)選取較高的銑削速度和較小的背吃刀量。李海燕等[7]研究了殘余應(yīng)力對(duì)含有Al2O3涂層的ZrO2陶瓷的強(qiáng)度和裂紋擴(kuò)展阻力的影響，結(jié)果表明，表面殘余壓應(yīng)力使得陶瓷裂紋擴(kuò)展阻力提高，材料強(qiáng)度和損傷容限提升。綜上所述，針對(duì)GH4169高溫合金的切削加工研究多集中于切削參數(shù)對(duì)切削力、殘余應(yīng)力以及對(duì)零件疲勞壽命的影響，而對(duì)切削加工過(guò)程中熱力耦合及殘余應(yīng)力對(duì)零件小裂紋的擴(kuò)展行為鮮有研究[8-9]。本文使用硬質(zhì)合金刀具對(duì)GH4169高溫合金進(jìn)行切削加工，利用數(shù)值模擬方法研究加工表面殘余應(yīng)力對(duì)零件小裂紋擴(kuò)展行為的影響。

1 切削試驗(yàn)材料

1.1 材料特性

材料采用GH4169高溫合金，其含Ni量為52%，650 ℃高溫環(huán)境屈服強(qiáng)度居高溫合金首位，復(fù)雜工況下仍具有較高、較穩(wěn)定的力學(xué)性能。GH4169高溫合金材料物理力學(xué)性能見(jiàn)表1[10]。

表1 GH4169高溫合金材料物理力學(xué)性能

GH4169高溫合金的熔點(diǎn)為1 260～1 320 ℃，熱導(dǎo)率和比熱容特性見(jiàn)表2[1]。

表2 GH4169高溫合金熱導(dǎo)率和比熱容特性

1.2 材料本構(gòu)模型及失效模型

GH4169高溫合金在高溫、高應(yīng)力和高應(yīng)變率下發(fā)生塑性變形，Johnson-Cook材料本構(gòu)模型包含應(yīng)變硬化效應(yīng)、熱軟化效應(yīng)及應(yīng)變率強(qiáng)化效應(yīng)參數(shù)，適用于描述材料高應(yīng)變率變化的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，常應(yīng)用于切削加工數(shù)值模擬中，模型表達(dá)式如下:

(1)

表3 GH4169高溫合金材料Johnson-Cook模型參數(shù)

切屑分離準(zhǔn)則采用Johnson-Cook材料剪切失效模型，其表達(dá)式如下：

(2)

當(dāng)損傷系數(shù)ω大于1時(shí)，材料發(fā)生斷裂破壞[11]。

2 模擬結(jié)果分析

2.1 切削加工殘余應(yīng)力

利用非線性有限元軟件ABAQUS/Explicit模擬GH4169高溫合金切削加工過(guò)程，設(shè)置刀具為剛體，采用YG8無(wú)涂層硬質(zhì)合金刀具；刀具前角8°，后角10°；切削速度v=240 m/min，切削深度ap=1 mm。圖1所示為殘余應(yīng)力沿工件表層深度變化分布情況，由圖可知，工件表層殘余應(yīng)力先減小后增大，表層深度0.2 mm處殘余應(yīng)力為-350 MPa，表層深度大于0.6 mm時(shí)，殘余應(yīng)力非常小，因此預(yù)測(cè)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)零件壽命時(shí)加工殘余應(yīng)力對(duì)小裂紋擴(kuò)展行為影響不可忽略。

圖1 工件表面殘余應(yīng)力分布

2.2 加工殘余應(yīng)力對(duì)小裂紋裂尖力學(xué)參量影響分析

圖2 材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線

(3)

式中：σ為應(yīng)力；ε為應(yīng)變；E為彈性模量；K′和n′為材料的應(yīng)變疲勞參數(shù)，K′=1 950，n′=0.15[12]。

圖3 殘余應(yīng)力-外載荷耦合作用對(duì)裂紋尖端J積分強(qiáng)度值影響

2.3 加工殘余應(yīng)力對(duì)小裂紋裂尖應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)影響分析

圖4 外載荷時(shí)殘余應(yīng)力對(duì)裂尖應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)強(qiáng)度影響

圖5 外載荷時(shí)殘余應(yīng)力對(duì)裂尖應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)強(qiáng)度影響

圖6所示為相同載荷、不同裂紋長(zhǎng)度、受殘余應(yīng)力-外載耦合作用時(shí)裂紋尖端應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)強(qiáng)度變化情況。數(shù)據(jù)顯示，隨著裂紋長(zhǎng)度增大，距離裂尖越近，應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)強(qiáng)度受殘余應(yīng)力影響越小，殘余應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致裂尖應(yīng)力場(chǎng)變化不穩(wěn)定，對(duì)裂尖應(yīng)變場(chǎng)的影響可忽略不計(jì)；距離裂尖越遠(yuǎn)，殘余應(yīng)力對(duì)應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)強(qiáng)度影響越大，應(yīng)進(jìn)一步利用擴(kuò)展有限元或試驗(yàn)方式探究殘余應(yīng)力對(duì)裂紋擴(kuò)展行為的影響。

圖6 不同裂紋長(zhǎng)度殘余應(yīng)力對(duì)裂尖應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)強(qiáng)度影響

3 結(jié)論