1.设计目的及意义

1.1研究背景

喷丸强化是用于对金属零件表面喷射弹丸，强化表面的一种工艺技术，其工作原理是利用高速运动的弹丸流冲击受喷材料表面，从而使材料表面发生塑性变形并形成一定的残余压应力场，有效提高产品的疲劳强度和工作寿命^[1,2]。喷丸工艺具有操作过程简单，效果显著的优点，在机械工程领域广泛应用，被广泛应用于航空航天、摩托车、汽车等各个领域。在世界范围内，喷丸强化工艺首先应用在汽车行业各种弹簧的强化上，随后很快推广到整个汽车制造业，并在推广到航空和其他军工制造业获得巨大发展后，于二十世纪 60-70 年代回归到汽车制造业和其他机械行业的零部件强化生产中。

喷丸强化除了产生残余压应力以外，还会导致材料的组织结构发生变化，主要表现为晶粒细化，位错密度增大，最终形成很高的残余压应力。残余压应力的存在将显著提高零部件的抗疲劳性能和疲劳寿命，提高零部件表面的硬度和强度^[3]。

通过喷丸处理产生的残余应力是强化机理的重要因素，为了评价喷丸后零部件疲劳性能的变化情况，必须首先获得残余应力场的分布情况。常用的喷丸残余压应力特征参量有表面残余压应力、最大残余压应力、最大残余压应力深度和残余压应力场深度，这些参量的获取和分析均依赖于准确有效的残余应力测试技术。实际工程中，测量残余应力的方法根据是否会对零件造成破坏，分为有损测量法、半损测量法和无损测量法两种^[4]。从20世纪30年代，人们已经开始对有损测量法进行了系统的研究，而且使用了具有较大破坏性的机械测量法，比如钻孔法等。到了20世纪40年代，由于电阻应变计的发明，电测方法有了很大的发展，由于可以与机械法配合使用，从而显著降低了纯机械测量法对零件的破坏。对于无损测量法，国内外学者先后提出了磁性测量法、X射线衍射法、超声波测量法和光测法等先进的非破坏性测量方法。

目前广泛应用于工业领域的残余应力测试方法主要有X射线衍射法和盲孔法。X射线衍射法具有操作简单、精度较高的优点，从而得到了最为广泛的应用，国际通用测试标准为EN 15305-2008。而X射线衍射法的缺点是在测量沿深度方向的残余应力时，需要对受喷材料逐层剥离，才能得到沿深度方向的残余应力值。盲孔法属于一种半损测量法，具有操作简单、理论成熟、价格低廉和易于操纵等优点，美国材料与试验协会（American Society for Testing and Materials,ASTM）制定的盲孔法测残余应力标准ASTM E837-08新增了非均匀应力测试规范，使盲孔法测试试样不同深度的残余应力成为可能，使盲孔法应用在测量受喷工件的残余应力场上成为可能^[5]。

释放系数的确定是盲孔法测量残余应力的关键一环，目前获取释放系数的方法主要有两种，实验标定法和有限元数值模拟法。实验标定法应用较早，是获取释放系数的最基本方法。然而实验标定法对实验操作人员和测量设备的要求都很高。近些年随着有限元技术的不断发展，通过有限元方法来标定释放系数的研究开始逐渐兴起，相较于实验标定法来说，有限元标定方法具有简便性并且能够适用于许多不同的测量条件^[6,7]。

喷丸强化处理之后的零件存在的残余应力场是不均匀残余应力场，对于沿深度方向非均匀分布下残余应力的测量，Kelsey在1956年提出了运用逐层钻孔法来测量非均匀应力场下的残余应力，数据处理时采用的是应变增量法，这存在一理论缺陷，因为应变增量法将构件表面释放应变的变化全部归功于新钻孔层上残余应力的释放，从而导致非均匀应力场的残余应力测量精度较低^[8,9]。Schajer在此基础上做了进一步完善，引入了无量纲释放系数 QUOTE

同时在很多大型船体焊接件的制造和热处理过程中残余应力的峰值往往达到或超过材料的屈服应力，当这些焊接构件在使用过程中，外载荷引起的工作应力与其内部的焊接残余应力相叠加，使得焊接构件的刚性和尺寸稳定性等性能降低^[11]。而盲孔法应变释放系数理论是构件在弹性范围内的解，对于残余应力比较高，已接近或达到材料的屈服应力的焊缝及其附近区域，如用盲孔法去标定应变释放系数，此时加上钻孔后产生的应力集中，在孔周围会产生一定的塑性变形，必须对弹性范围内测得的应变释放系数进行塑性修正^[12]。因为材料一旦进入塑性变形阶段，其应力应变关系与加载过程相关，塑性应变无法恢复，实验方法已经无法测出真实的应变值，只有通过数值的方法借助有限元程序来确定应变释放系数^[13]。