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摘 要

钛合金作为现代工业中的一种常用合金，其高强度、密度低、塑性和抗腐蚀性好等优点。但是其较低的硬度和较差的抗疲劳性能，致使其在应用过程中无法达到预定使用条件。为了使其表面接触层的硬度提高，并提升抗疲劳强度，可以通过喷丸强化达到预定使用条件，延长钛合金构件的使用寿命。为了得到喷丸工艺参数和喷丸效果之间的关系，降低实验研究成本，本文利用Abaqus有限元分析软件，建立喷丸强化的仿真模型为了研究不同喷丸参数对TC4表面完整性的影响。结果表面：

（1）TC4钛合金在喷丸强化后，表面沿深度方向会依次形成残余压应力层和残余拉应力层，残余压应力层对钛合金的力学性能提升有显著作用，但最大残余应力出现在次表层

（2）在表面粗糙度符合使用要求的情况下，其他喷丸参数不变，喷丸强化应选择尽可能大的弹丸直径。

（3）在表面粗糙度符合使用要求的情况下，其他喷丸参数不变，喷丸强化应选择尽可能大的喷丸速度

（4）随着入射角的不断增大，靶材的表面粗糙度并没有显著的改变，但对残余压应力的影响不可忽视，主要体现在最大残余应力由607.3 MPa逐渐减小为504.4 MPa，残余压应力层的厚度由158.5 μm降低到145.2 μm。为了使喷丸强度和喷丸效果达到最优，入射角度控制在0°~10°之间最合适。

关键词：TC4钛合金；喷丸强化；有限元仿真；残余应力；表面粗糙度

Abstract

As an alloy commonly used in modern industry, titanium alloy has the advantages of high strength, low density, good plasticity and corrosion resistance.However, its low hardness and poor fatigue resistance make it impossible to achieve the intended use conditions in the application process. Shot peening is used to achieve predetermined service conditions and extend the service life of titanium alloy parts, increase the hardness of the surface contact layer and improve fatigue resistance.In order to obtain the relationship between shot peening process parameters and shot peening effect and reduce the cost of experimental research, Abaqus used to finite element analysis software to establish a shot peening simulation model in order to study the effect of different shot peening parameters on the surface integrity of TC4. Results surface:

(1) After shot peening of TC4 titanium alloy, a residual compressive stress layer and a residual tensile stress layer will be formed on the surface along the depth direction. Shot peening can reach the predetermined conditions of use, extend the service life of titanium alloy parts, increase the hardness of the surface contact layer and improve fatigue resistance.

(2) When the surface roughness meets the requirements for use, other shot peening parameters remain unchanged, and shot peening should select the largest possible shot diameter.

(3) When the surface roughness meets the requirements of use, other shot peening parameters remain unchanged, shot peening should choose the largest possible shot peening speed .

(4) With the increasing incidence angle, the surface roughness of the target has not changed significantly, but the impact on the residual compressive stress can not be ignored, mainly reflected in the maximum residual stress gradually reduced from 607.3 MPa to 504.4 MPa, The thickness of the residual compressive stress layer was reduced from 158.5 μm to 145.2 μm. In order to achieve the best shot peening strength and shot peening effect, it is most appropriate to control the incident angle between 0 ° and 10 °.

Keywords: TC4 titanium alloy; shot peening; finite element simulation; residual stress; surface roughness

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 钛合金简介 1

1.1.1 TC4钛合金简述 1

1.1.2 钛合金的应用 1

1.2喷完处理概述 2

1.2.1 喷丸强化原理 2

1.2.2 喷丸技术分类 3

1.2.3 喷丸强化参数 3

1.3 有限元方法 4

1.4选题意义及研究内容 4

1.4.1 选题意义 4

第二章 TC4钛合金喷丸强化有限元模型建立 5

2.1 Abaqus有限元软件简介 5

2.2 单丸模型 5

2.2.1 模型参数 5

2.2.2 单丸模型网格划分 5

2.2.3 单丸模型边界条件设置 6

2.3 多丸模型 7

2.3.1 模型参数 7

2.3.2 多丸模型网格划分 8

2.3.3 多丸模型边界条件设置 8

第三章 喷丸强化工艺参数对TC4钛合金表面完整性的影响 10

3.1 两种喷丸模拟模型 10

3.2 弹丸尺寸的影响 11

3.2.1弹丸尺寸对残余应力的影响 12

3.2.2 弹丸尺寸对表面粗糙度的影响 14

3.3喷丸速度的影响 16

3.3.1 喷丸速度对残余应力的影响 16

3.3.2 喷丸速度对表面粗糙度的影响 18

3.4 入射角度的影响 19

3.4.1 入射角度对残余应力的影响 19

3.4.2 入射角度对表面粗糙度的影响 21

3.5 本章小结 23

第四章 结论 24

参考文献 25

致谢 26

第一章 绪论

1.1 钛合金简介

钛合金作为上世纪50年代发展起来的一种重要合金，具有良好的物理性能，发展至今，钛合金已经广泛的应用于航空、航天、船舶、化工、医疗等领域^[1][2]。钛合金的弹性模量约为1.078×10⁵~1.176×10⁵ MPa；工作温度范围宽，高温下仍能保持良好的力学性能；钛的抗腐蚀性强，因其表面在氧化过程中会产生致密的氧化层，在特殊的工作环境下其耐腐性要强于大部分的不锈钢^[3~4]。

1.1.1 TC4钛合金简述

TC4具有良好的综合力学性能，强度为1.012 GPa,密度为4.51 g/cm³。TC4中含铁(Fe)不超过0.3%,碳(C)不超过0.1%,氮(N)不超过0.05%,氢(H)不超过0.015%,氧(O)不超过0.2%,铝(Al)5.5%～6.8%,钒(V)3.5%～4.5%^[5][6]。

1.1.2 钛合金的应用

钛合金具有比强度较高、较低的其密度和耐磨性好，在现代工业追求轻量高品质的要求下，广泛的应用于航空、航天、船舶、化工、医疗等领域^[6~8]。

1. 航空领域

钛合金在航空和军工产业中备受青睐，目前，钛合金总耗用的70%左右是应用于航空领域，包括战斗机、航空发动机、火箭和载人飞船等。在飞机的构件中钛合金主要应用于发动机的叶轮盘、叶片和机匣等。钛合金作为飞机主要材料是因其具有重量轻、油耗低、噪音小、可靠性高等优点。

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