本技术涉及一种三相TiAl合金喷丸处理的晶体塑性有限元模拟技术及装置,该技术利用电子背散射衍射技术获取的三相TiAl合金试样晶粒数据,基于材料实际微观结构构建有限元模型。
背景技术
TiAl合金因其在高温下的独特性能而被广泛应用于高技术领域。如高压压缩机叶片、发动机铸造低压涡轮叶片、涡轮增压器车轮等。它是一种有潜力替代目前使用的镍基高温合金的合金,主要是由于其较低的密度、屈服强度以及在800℃高温下具有优异的抗氧化和抗蠕变性能等。且TiAl合金占现代飞机发动机重量的三分之一,是仅次于镍基高温合金的第二大发动机材料。然而,现代航空发动机高温部件多采用镍基高温合金制造,不利于提高航空发动机推重比。因此,用TiAl合金代替镍基高温合金不仅组件的结构重量将减少20%-30%,而且能在高温下保持高比刚度。这对于航空航天和汽车应用中的轻量化结构件的设计是很有利的。TiAl合金以Ti和Al以特定的原子比例结合而成,具有长程有序超晶格结构。然而,这些特性导致滑移系统较少,Burgers向量较高。但 TiAl合金室温塑性差(延伸率仅为2% ~4%),容易产生裂纹导致断裂。
从细观尺度上看,金属的塑性变形方式包含滑移、孪生等。晶体塑性有限元(Crystal Plasticity Finite Element Method,CPFEM)是基于晶体塑性理论耦合有限元方法研究晶体塑性行为的一种方法。它以有限元近似形式的变分方法被用于处理复杂外部边界条件下晶体的各向异性塑性变形,并描述晶体内晶体学方向的微观滑移剪切机制。CPFEM是一种集中了位错、单晶变形等相关理论及实验的物理知识并将其应用到连续力学的计算工具,并能建立基于微观结构、包含尺度效应和界面机制的多尺度物理模型。
喷丸工艺是一种用于提高工件表面疲劳抗力的表面处理工艺,与其他表面处理工艺相比,喷丸具有简便、效果明显、成本低等特点,因此被广泛应用,包括模具、汽车、航空等重要领域。在喷丸过程中,大量弹丸连续地撞击工件表面,使工件表面发生塑性变形,形成一层具有加工硬化效果的表面强化层。经研究表明,表面强化层的存在不仅提高了工件表面的硬度和耐磨性,更重要的是在工件的表层形成了残余压应力层,残余压应力层能够阻碍疲劳微裂纹的生成和扩展,从而极大地提高零件的表面疲劳抗力。
由于TiAl合金塑性差,变形行为复杂,对其变形机理的研究还不够深入。目前,通过微观结构表征、分子动力学模拟、力学特性等来探究TiAl合金的变形机制,并且对TiAl合金的研究主要集中在塑性流动、表面完整性、组织形貌等。针对在细观尺度下塑性变形过程出现的微纳力学行为与变形机理,晶体塑性有限元(CPFE)是一种非常常用的方法。到目前为止,对TiAl合金晶体塑性的研究大多集中在单一相上,研究不够深入。
实现思路