一种超声振动抗疲劳制造方法 |
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| 申请号 | CN202210367174.6 | 申请日 | 2022-04-08 | 公开(公告)号 | CN114686677B | 公开(公告)日 | 2024-01-26 |
| 申请人 | 华东理工大学; | 发明人 | 朱明亮; 朱刚; 轩福贞; | ||||
| 摘要 | 本 发明 提供了一种超声振动抗疲劳制造方法，适用于低强 钢 工件 。所述超声振动抗疲劳制造方法包括：利用 超 声波 对所述低强钢工件进行单轴拉和/或压振动，振动过程中采用恒定应 力 幅值加载，并保持加载于所述低强钢工件的 应力 幅值低于低强钢材料的 屈服强度 ，且冷却所述低强钢工件使所述低强钢工件处于室温，最终使材料发生均匀强化，进而提高疲劳强度。本方法可以快速、便捷地应用于低强钢工件的抗疲劳制造。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种超声振动抗疲劳制造方法，其特征在于，适用于低强钢工件，所述超声振动抗疲劳制造方法包括： |
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| 说明书全文 | 一种超声振动抗疲劳制造方法技术领域背景技术[0002] 转子作为汽轮机的关键部件，疲劳是其主要承载形式。统计表明，汽轮机90％以上的结构失效与疲劳相关。低强钢作为汽轮机转子的主要材料，不可避免的会发生疲劳损伤。9 近些年随着汽轮机转速的大幅提高，转子的服役寿命往往会超过10 周，其损伤模式也多为超高周疲劳损伤。为了保证转子长周期安全服役，迫切需要开发一种提高汽轮机转子材料的超高周疲劳性能的制造方法。 [0003] 目前的超声振动强化方法主要是通过对工件表面加工来强化材料，提高其抗疲劳性能。比如用超声波振动冲头击打工件表面，细化晶粒并引入残余压应力达到强化效果(一种用于金属材料表面处理的超声波表面强化处理设备，ZL200820109136.6)；或者通过超声波振动刀具或者对工件进行机械抛光改善工件表面的粗糙度来达到强化，从而提高机械结构抗疲劳性能(一种提高金属工件疲劳寿命的超声强化方法及其应用，CN 105734233 A)，但目前这些方法只是使得工件表面强化，适用于提高裂纹从表面萌生的材料的低周或者高周疲劳性能，而对于提高裂纹从内部萌生的材料的超高周疲劳性能，以上超声振动强化方法均不适用，亟需开发一种使得材料整体均匀强化的抗疲劳制造方法来提高材料的超高周疲劳性能。 [0004] 为解决上述问题，本发明旨在提供一种超声振动抗疲劳制造方法，以使材料发生均匀强化，进而提高疲劳强度。 发明内容[0005] 以下给出一个或多个方面的简要概述以提供对这些方面的基本理解。此概述不是所有构想到的方面的详尽综览，并且既非旨在指认出所有方面的关键性或决定性要素亦非试图界定任何或所有方面的范围。其唯一的目的是要以简化形式给出一个或多个方面的一些概念以为稍后给出的更加详细的描述之序。 [0006] 根据本发明的一方面，提供了超声振动抗疲劳制造方法，适用于低强钢工件，所述超声振动抗疲劳制造方法包括：利用超声波对所述低强钢工件进行单轴拉和/或压振动，振动过程中采用恒定应力幅值加载，并保持加载于所述低强钢工件的应力幅值低于低强钢材料的屈服强度，且冷却所述低强钢工件使所述低强钢工件处于室温。 [0007] 在一实施例中，所述单轴拉压振动的循环周次大于109周。 [0008] 在一实施例中，所述低强钢工件为圆棒形状的工件。 [0009] 在一实施例中，所述超声波的频率为20kHz。 [0010] 在一实施例中，利用超声波疲劳试验机产生所述超声波对所述低强钢工件进行单轴拉和/或压振动。 [0011] 在一实施例中，通过间歇加载压缩空气对所述低强钢工件进行冷却。 [0012] 在一实施例中，实时监测所述低强钢工件的温度，以保证所述低强钢工件冷却至室温。 [0013] 本发明通过超声波对低强钢工件进行单轴拉压振动，以使得低强钢材料内部金属原子相互扩散、化学键融合和微观结构重组，进而消除内部应力集中，使得微观组织均匀强化，提高低强钢材料的静强度(屈服强度和抗拉强度),进而提高超高周疲劳强度。强化后的材料稳定性好，无需进行后续处理，高效节能。附图说明 [0014] 在结合以下附图阅读本公开的实施例的详细描述之后，更能够更好地理解本发明的上述特征和优点。 [0015] 图1是根据本发明的一个方面绘示的一实施例中的超声波振动强化装置示意图； [0016] 图2是根据本发明的一个方面绘示的110Hz和20kHz下长寿命阶段疲劳试验结果示意图； [0017] 图3是根据本发明的一个方面绘示的20kHz下疲劳试验后试验工件剩余强度测试结果示意图。 [0018] 为清楚起见，以下给出附图标记的简要说明： [0019] 1 压电换能器 [0020] 2 超声波发射器 [0021] 3 位移放大器 [0022] 4 变幅杆 [0023] 5 样品 [0025] 7 工作台 具体实施方式[0026] 给出以下描述以使得本领域技术人员能够实施和使用本发明并将其结合到具体应用背景中。各种变型、以及在不同应用中的各种使用对于本领域技术人员将是容易显见的，并且本文定义的一般性原理可适用于较宽范围的实施例。由此，本发明并不限于本文中给出的实施例，而是应被授予与本文中公开的原理和新颖性特征相一致的最广义的范围。 [0027] 在以下详细描述中，阐述了许多特定细节以提供对本发明的更透彻理解。然而，对于本领域技术人员显而易见的是，本发明的实践可不必局限于这些具体细节。换言之，公知的结构和器件以框图形式示出而没有详细显示，以避免模糊本发明。 [0028] 请读者注意与本说明书同时提交的且对公众查阅本说明书开放的所有文件及文献，且所有这样的文件及文献的内容以参考方式并入本文。除非另有直接说明，否则本说明书(包含任何所附权利要求、摘要和附图)中所揭示的所有特征皆可由用于达到相同、等效或类似目的的可替代特征来替换。因此，除非另有明确说明，否则所公开的每一个特征仅是一组等效或类似特征的一个示例。 [0029] 注意，在使用到的情况下，进一步地、较优地、更进一步地和更优地是在前述实施例基础上进行另一实施例阐述的简单起头，该进一步地、较优地、更进一步地或更优地后带的内容与前述实施例的结合作为另一实施例的完整构成。在同一实施例后带的若干个进一步地、较优地、更进一步地或更优地设置之间可任意组合的组成又一实施例。 [0030] 以下结合附图和具体实施例对本发明作详细描述。注意，以下结合附图和具体实施例描述的诸方面仅是示例性的，而不应被理解为对本发明的保护范围进行任何限制。 [0031] 根据本发明的一个方面，提供一种超声振动抗疲劳制造方法，适用于低强钢工件。所述超声振动抗疲劳制造方法包括：利用超声波对所述低强钢工件进行单轴拉和/或压振动，振动过程中采用恒定应力幅值加载，并保证加载于所述低强钢工件的应力幅值低于低强钢材料的屈服强度，冷却所述低强钢工件使所述低强钢工件处于室温。 [0032] 图1示出了一实施例中的超声波振动强化装置示意图。如图1所示，超声波振动强化装置包括压电换能器1、超声波发射器2、位移放大器3、变幅杆4和冷却系统6。操作过程中，将样品5(低强钢工件)放置于工作台7上，利用超声波振动强化装置对低强钢工件5进行轴向拉和/或压振动。 [0033] 较优地，产生的超声波的频率为20kHz。 [0034] 较优地，低强钢工件为圆棒形状的工件。 [0035] 在一具体实施例中，采用的超声波振动强化装置可以是超声疲劳试验机。 [0036] 在一具体实施例中，冷却系统6可采用空气压缩设备，通过图1所示的冷却空气喷嘴向低强钢工件5间歇加载压缩空气，以对低强钢工件5进行冷却。 [0037] 较优地，为保证低强钢工件的冷却效果，可实时监测低强钢工件5的温度，以便于控制冷却系统6加大或减小冷却效果，从而保证所述低强钢工件冷却至室温。比如，可利用热成像仪来实时监测低强钢工件5的温度。 [0038] 选取典型的汽轮机转子钢材料25Cr2Ni2MoV型低强钢工件分别在常规频率(110Hz)和超声频率(20kHz)下进行超声疲劳试验，超声疲劳试验全过程采用压缩空气对试验工件冷却，确保试验工件冷却至室温。试验结果如图2所示，可以看出25Cr2Ni2MoV型低强钢工件在超声频率下的疲劳强度明显高于常规频率。 [0039] 选取典型的汽轮机转子钢材料25Cr2Ni2MoV型低强钢工件进行超声频率下同一应力幅值、不同循环周次的中断疲劳试验。然后从疲劳后的试验材料上加工微小试样进行剩余拉伸强度测试，发现随着循环周次增加，试验材料的强度逐渐提高，直至饱和状态，结果如图3所示。饱和状态的屈服强度和极限抗拉强度较初始状态增加了近20％，在循环周次超9 过10周后材料强化达到饱和，强度不再增加。 [0040] 较优地，在一具体实施例中，对低强钢工件进行超声波单轴拉和/或压振动的循环9 周次至少为10周。 [0041] 以上结果表明，25Cr2Ni2MoV型低强钢在足够时间的超声波振动下超高周疲劳性能可以显著提高，可很好应用于抗疲劳制造。 [0042] 尽管为使解释简单化将上述方法图示并描述为一系列动作，但是应理解并领会，这些方法不受动作的次序所限，因为根据一个或多个实施例，一些动作可按不同次序发生和/或与来自本文中图示和描述或本文中未图示和描述但本领域技术人员可以理解的其他动作并发地发生。 [0043] 提供之前的描述是为了使本领域中的任何技术人员均能够实践本文中所描述的各种方面。但是应该理解，本发明的保护范围应当以所附权利要求书为准，而不应被限定于以上所解说实施例的具体结构和组件。本领域技术人员在本发明的精神和范围内，可以对各实施例进行各种变动和修改，这些变动和修改也落在本发明的保护范围之内。 |
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