316L不锈钢表面纳米化残余应力对疲劳的数值分析

1、高速旋转丝表面纳米化是一种新型的表面纳米化处理方法，其可以让金属表层 晶粒达到纳米量级，晶粒重新排列，间隔距离缩小，相互作用力增强，从而使 得材料力学性能得以提高。然而这种处理方法会使材料内部的残余应力重新分 布，这又会引起材料整体力学性能发生变化，尤其是对材料的疲劳极限，影响 更为显著。本文对 316L 不锈钢原试件和表面纳米化试件残余应力在材料内部的 分布测定，用数值模拟的方法，分析残余应力对材料疲劳极限的影响。1 实验材料目前材料表面纳米化处理的方法有 3 种：分别为表面涂覆或沉积方法、表 面自身纳米化方法和混合纳米化方法。在这 3 种纳米化处理方法中只有表面自 身纳米化处理方法，既可解

2、决纳米晶体层与基体之间结合的问题，又可以利用 传统的表面加工技术得以实现。本文就是利用这种表面纳米化方法的优越性， 利用高速旋转丝表面纳米化方法，在 316L 不锈钢表面获得纳米层。本实验采用表面纳米化处理和表面未纳米化处理的 316L 不锈钢，其厚度均 为 5 mm，其材料属性见表 1 、表 2 。表 1316L 不锈钢常规性能表屈服强度（ s/MPa） 抗拉强度（ b/MPa） 延伸率（ s/%） 断面收缩 率（ /%）270 607 40 60表 2316L 不锈钢表面纳米化处理试件的基本参数名称 基本参数硬度 基体 212 HV，表层 291 HV 表层平均晶粒尺寸 约 25 nm 纳

3、米层厚度 约 20 um 变形层厚度 约 110 um2 残余应力的测定及修正2.1 测试方法的确定本实验利用 X350 X 射线衍射仪测定残余应力，其理论成熟、测量精度 高，测量结果准确、可靠，被广泛的运用于机械工程和材料科学。但 X 射线的 穿透能力仅为 10 um左右，所测得的只是工件表层的应力。本实验研究残余应 力在体内的分布，即需要测定沿材料厚度方向不同层面上的残余应力，这就需 要将待测面剥露至表面。故采用逐层剥离法，将待测面剥离至自由面，逐层测 定各层面上的残余应力。2.2X 350型应力测定仪测试参数的确定对 316L 不锈钢板进行残余奥氏体测定，结果 A 92.3%，可根据奥氏

4、体 的材料性质选定实验参数，其数据选择见表 3。2.3 残余应力的测定 在测验前需对所测的点进行标定，保证所测数据是同一点在不同深度的分 布，同时可以用算术平均值来估算所测层面的平均残余应力见表 4。每层表面 确定 5 个点进行测量，测点分布见图 1。表 3X-350 X 射线衍射仪参数选取表 名称 实验参数 名称 实验参数材料名称 316L 不锈钢材质奥氏体残奥含量 92.3% 2扫描起始角度 136测量方法侧倾固定法 2扫描终止角度125定峰方法角相交法 2扫描步距0.10 衍射晶面（220）辐射 Crka计数时间 0.50S 角45应力常数601MPa/度 X 光管高压 20.0 kV

5、摆周摆角 X 光管电流 0.5 mA 表 4 表面纳米化试件残余应力测定结果表 序号剥离厚度（mm）平均值（MPa）测点 1（MPa）测点 2（MPa）测点 3（MPa）测点 4（MPa）测点 5（MPa）1 0.00010280 76 123 113 1172 0.136260242 2612632882463 0.259354347 3254023633324 0.539481402 5634834624955 0.787466495 4634554474696 1.001407385 4434264103697 1.240310302 2853353143138 1.384214179

6、2331982532059 1.879 57 78 46 52 65 4310 2.235 223 226 243 211 189 24811 2.537 261 274 254 273 243 263图 1 残余应力测点分布图2.4 残余应力的修正X射线衍射法只能测定材料表面的残余应力分布，而残余基金项目：贵州大学研究生创新基金资助项目（编号：校研理工2010047）应力沿厚度方向的分布情况，只能逐层剥离表层材料，将被测的点外露到 自由面进行测量。然而，由于被测点外部的材料被剥除，引起应力释放，发生 残余应力重新分布，所以在暴露出来的点上测定的应力值并非剥除时该点的实 际应力值。当我们的剥除

7、是从最表面逐层剥除时，最表面的初始残余应力值是可以测定的，然后逐层剥除，逐层用弹性力学方法来计算剥除后测得的应力值 的校正量，从而得到未剥除时内部各点的应力值，即剥除前的应力x 1x1x。2.5 残余应力测定值修正结果表 5 表面纳米化处理未疲劳试件残余应力修正结果 拟合应力分布公式 x17.943x4336.89x3+1 307.2x2 1 296.2x 103.57序号 剥离厚度（mm）测定平均值（MPa）修正值（MPa）1 0.0001021022 0.1362602503 0.2593543454 0.5394814495 0.7874664376 1.0014073827 1.243

8、10 2798 1.3842141989 1.879 57 16210 2.235 223 29811 2.537 261 3273ANSYS疲劳数值模拟分析3.1 表面未纳米处理模型分析3.1.1 结构单元选择结合本实验试件的特征，本次疲劳分析采用有限元单元为 SOLID45 单 元，该单元用于结构三维实体结构，单元通过 8 个节点来定义，每个节点有 3 个沿着 XYZ方向平移的自由度。3.1.2 实体模型建立 316L不锈钢的有限元分析模型根据实验标准试件模型进行建立，其几何尺 寸见图 2。图 2 实体模型形状尺寸图 本实验试件分为两种，分别为表面纳米化处理试件以及表面未纳米化处理 试件。表面未纳米化处理试件：整个试件表面和内部的晶粒结构基本一致，故性 能也一致，建立模型时考虑整个模型为同一材质，作为一个整体。3.1.3 定义材料特性316L不锈钢的弹性模量 E191 GP，泊松比 0.3 。3.1.4 单元网格划分 根