[发明专利]一种喷丸工艺诱导金属表面晶粒细化尺寸梯度分布的方法

说明书

本发明公开了一种喷丸工艺诱导金属表面晶粒细化尺寸梯度分布的方法，利用有限元仿真建立喷丸工艺参数与金属零件的等效塑性应变的关系；利用XRD衍射法检测金属零件表层的表层晶粒尺寸，通过光学显微镜检测金属零件的原始晶粒尺寸，通过表层晶粒尺寸与原始晶粒尺寸之间的差异建立晶粒尺寸分布与金属零件发生等效塑性应变厚度的线性分布关系；利用等效塑性应变与晶粒尺寸分布的反比关系，建立喷丸工艺参数与晶粒尺寸分布的分布模型；本发明能够反映喷丸工艺参数与晶粒尺寸分布之间的关系，不需要进行反复的剥层，解决了传统剥层法的逐点的利用XRD去测量厚度上个点的晶粒尺寸，试验周期长，测量效果差，对晶粒尺寸有要求且无法测量大尺寸晶粒的问题。

技术领域

本发明属于喷丸工艺下金属内部晶粒尺寸分布的技术领域，具体涉及一种喷丸工艺诱导金属表面晶粒细化尺寸梯度分布的方法。

背景技术

金属材料的力学性能与晶粒尺寸密切相关，一般对多晶体材料来说，晶粒尺寸越小，材料的强度越高，而塑性能力越差。为了获得比较好的强塑性匹配，即材料的屈服强度提升明显，而塑性不至于下降很多，研究人员提出了梯度结构材料这一概念。梯度结构材料是指通过材料晶粒尺寸从表面导内部呈现一定的梯度过渡分布，越接近金属表面，晶粒尺寸越小，甚至达到纳米晶，逐步达到材料内部的原始粗大晶粒，这样，材料在受拉时，表面层细化的晶粒明显提升了整个材料的屈服强度，内部粗大晶粒保持了相当部分的塑性变形，实现了材料强塑性匹配。

凡是可以使得工件发生剧烈塑性变形，都可以使得材料晶粒发生细化，形成超细晶层甚至纳米晶层。而喷丸工艺是典型的表面塑性变形过程，利用不计其数的弹丸以较高的速度反复撞击金属表面，使得工件表面材料发生弹-塑性变形，并在表面引入残余压应力场，表面的位错密度不断增加，导致表面层晶粒不断地细化。目前，对喷丸诱导表面梯度结构材料本构模型的建立或者喷丸后材料力学性能预测模型都是基于表面晶粒尺寸，因此，获得表面层晶粒尺寸的分布规律和尺寸与厚度之间的关系式是前提与基础。

现阶段获得晶粒尺寸的方法主要是XRD或者扫描电镜去沿着厚度的方向测量一些列离散点上的晶粒尺寸，再通过拟合的方式获得整个梯度上的晶粒尺寸分布。整个试验过程需要经过剥层和制样工作，需要成熟的经验人员，成本高，周期长，且测量效果波动较大，最大的问题是XRD方法对晶粒尺寸测量范围具有很大的限制。

发明内容

本发明的目的在于提供一种喷丸工艺诱导金属表面晶粒细化尺寸梯度分布的方法，能够将实际的喷丸工艺参数与金属零件经过喷丸后的晶粒尺寸分布建立联系，进而得到在不同的喷丸工艺参数下得到的晶粒尺寸及其分布情况，进而为喷丸工艺的优化提供客观的分析模型。

本发明通过下述技术方案实现：

一种喷丸工艺诱导金属表面晶粒细化尺寸梯度分布的方法，利用有限元仿真建立喷丸工艺参数与金属零件的等效塑性应变的关系；利用XRD衍射法检测金属零件表层的表层晶粒尺寸，通过光学显微镜检测金属零件的原始晶粒尺寸，通过表层晶粒尺寸与原始晶粒尺寸之间的差异建立晶粒尺寸分布与金属零件发生等效塑性应变厚度的线性分布关系；利用等效塑性应变与晶粒尺寸分布的反比关系，建立喷丸工艺参数与晶粒尺寸分布的分布模型。

为了更好地实现本发明，进一步的，所述喷丸工艺参数与晶粒尺寸分布的分布模型具体为：

其中：P_max为金属零件表层的等效塑性应变的最大值；P_z为金属零件的等效塑性应变；D_CG为原始晶粒尺寸；D_min为表层晶粒尺寸；z为晶粒层距离金属零件表层的深度。

为了更好地实现本发明，进一步的，所述喷丸工艺参数与金属零件的等效塑性应变的关系具体为：

其中：Pmax为金属零件表层的等效塑性应变的最大值；hf为金属零件发生等效塑性应变的厚度；z为晶粒层距离金属零件表层的深度；