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基于DANTE仿真技术，预载激光喷丸技术如何提升渗碳钢表面性能？

2026-01-30 21

一、概述

残余应力对零件的疲劳性能具有关键影响：表面残余压应力通常有益，能抑制裂纹萌生与扩展；而残余拉应力则不利。渗碳与淬火硬化可在钢件表面引入残余压应力。激光喷丸工艺已成功应用于有色金属零件，以引入表面残余压应力，但在渗碳钢部件上尚未取得理想效果，主要受限于渗碳层的高强度、低塑性以及喷丸前已存在的表面压应力。
本文通过有限元建模，整合了渗碳、淬火硬化与激光喷丸工艺，并利用X射线衍射验证了模拟所得的残余应力分布。研究提出了一种创新的预载激光喷丸方法，旨在增强特定区域的残余压应力，该方法的有效性通过DANTE有限元模型得以验证。
激光喷丸引入的残余应力受多种因素影响，包括零件几何、激光参数、喷丸顺序及烧蚀层特性等。针对渗碳钢件，淬火过程中的热-相变-应力耦合效应显著，其与后续激光喷丸的交互响应已通过建模与实验开展研究。
DANTE软件可用于预测淬火过程中的材料性能、硬度、残余应力与变形。DANTE-LP作为一组用户子程序，实现了ABAQUS/Standard与ABAQUS/Explicit的耦合，专门用于激光喷丸过程的模拟分析。
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图1 -渗碳、淬火硬化、激光喷丸和疲劳载荷的集成计算机建模
采用改良的Johnson-Cook模型来描述激光喷丸过程中高应变速率材料的行为。碳含量对机械性能的影响被纳入模型中，以扩展其对渗碳层梯度的建模能力。由激光汽化等离子体产生的压力曲线直接用于驱动模型。
DANTE模型的热处理模拟结果包括残余应力、几何变化和微观结构相分数。这些仿真预测结果会被导入激光喷丸模型。热处理产生的残余应力和碳梯度是激光喷丸建模中重要的初始条件。

二、研究方法

试样设计与材料

研究采用AISI 9310钢制成的疲劳试样，长度为101.6毫米，宽度为33.78毫米，厚度为8.38毫米。顶部表面宽度为17.02毫米。截面呈梯形设计，以减少高周期弯曲疲劳试验中边缘裂纹起始的可能性。
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图2 - (A) 试样几何形状，(B) 试样的有限元网格
有限元网格采用全六面体进行网格划分。单元总数为593,572个，节点总数为619,344个。同样的有限元网格也用于渗碳、淬火硬化和激光喷丸模型。

相变动力学模型

疲劳样品由AISI 9310钢制成。为了模拟淬火硬化过程，需要相变模型。淬火过程中，DANTE中使用的扩散和马氏体变换模型描述为方程（1）和（2）。对于每个单独的相形成，需要一套转化动力学参数。
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图3 - (A) 连续冷却期间的膨胀应变曲线，以及 (B) 由DANTE数据库生成的AISI 9310 TTT图
当试样温度冷却至马氏体转变起始温度（Ms）时，体积膨胀起因于晶体结构的变化。马氏体的BCT结构密度低于奥氏体的FCC结构。转变过程中的应变变化是热应变、相变体积变化以及转变过程中产生的应力引起的应变的综合作用。

激光喷丸工艺的高应变速率机械模型

采用修改后的Johnson-Cook模型描述高应变速率应力-应变行为及其碳变化的影响。此修改是必要的，因为渗碳完碳梯度因渗碳和淬火硬化过程而存在。碳对弹性性质的影响可以忽略不计。本研究假设AISI 9310回火马氏体的杨氏模量为213.7 GPa，碳含量为0.1至0.8 wt.%。
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图4 - AISI 9310（回火马氏体）的高应变率塑性性能：(A) 0.1 wt.%碳，(B) 0.8 wt.%碳

热处理过程建模与残余应力验证

工艺参数

疲劳试样采用气体渗碳处理，渗碳过程简要描述如下：渗碳温度900°C，碳势0.8 wt.%，渗碳时间8小时。渗碳后，疲劳试样在65°C的油中淬火。
渗碳过程采用DANTE建模，预测的碳分布轮廓如图5（A）所示。有效壳层深度约为0.8毫米，以0.4重量%碳为标准，基础碳含量为0.1 wt.%，碳渗透深度超过1.5毫米，约为有效壳层深度的两倍。
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图5 -碳分布：(A) 云图，(B) 以深度表示的曲线图
马氏体转变的起始温度（Ms）随着碳含量的增加而降低。疲劳试样表面碳含量为0.8 wt.%，其Ms约为170°C。试样芯部含碳量为0.1 wt.%，其Ms为425°C。由于Ms温度差异以及表面和次表面速率差异较小，渗碳层下的马氏体转变开始和结束的时间比高碳层更早。
渗碳层下方的体积膨胀随着马氏体形成而产生塑性变形，使奥氏体表面变形。随后，由于延迟的马氏体形成，渗碳面膨胀，这种体积膨胀在渗碳表面产生残余压应力。
淬火过程采用DANTE建模。仿真预测的纵向残余应力如图6（A）所示。表面不同位置的残余应力相对平滑，压应力大小约为300 MPa。以平衡表面压应力芯部产生拉应力。X射线衍射用于确定淬火硬化试件纵向的残余应力。从试件顶部表面到深度的仿真预测值与测量值高度匹配，如图6（B）所示。
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图6 -淬火硬化后纵向残余应力：(A) DANTE预测的应力云图，(B) DANTE预测与X射线衍射测量的比较

激光喷丸工艺建模与残余应力验证

热处理后，疲劳试样进行激光喷丸处理。激光喷丸过程采用DANTE-LP建模。以7 GW/cm²的激光强度对由AISI 9310制成的Almen "C"样品进行喷丸处理，预测的冲击波通过试样的传播如图7所示。
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图7 -单次冲击中冲击波通过材料传播
Hugoniot弹性极限（HEL）通过以下方程（3）计算：
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AISI 9310（回火马氏体并渗碳为0.8 wt.%碳）的屈服强度约为1100 MPa。假设泊松比为0.3，使用公式（3）计算的Hugoniot弹性极限为1925 MPa，与仿真预测的应力大小范围相符，显示塑性变形。预测的波速为5346 m/s，这与钢铁中声速相符。
用于喷丸疲劳试样的激光强度为7 GW/cm²，斑点为直径5毫米的圆形。试样通过两层不同激光脉冲长度的激光喷丸处理。每层有77个点，喷丸顺序沿横向排列，两层之间无偏移。激光喷丸后仿真预测的纵向残余应力云图如图8（A）所示。
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图8 -激光喷丸后纵向残余应力：(A) DANTE-LP预测云图，(B)预测与X射线衍射测量的比较
由于激光喷丸后残余应力分布不均匀，仿真预测的残余应力会在图8（A）中标注的2毫米×5毫米矩形窗口内平均，以与X射线衍射测量结果进行比较。仿真预测和测量的表面压应力数值非常接近，在700至800 MPa之间。

预载激光喷丸工艺

需要塑性应变来向激光喷丸表面引入残余压应力。当零件表面在喷丸前处于拉伸状态时，更容易引入塑性应变，因为材料的应力张量更接近其屈服。基于这一假设，发明了一种创新的预载激光喷丸工艺，这一理念通过使用DANTE-LP的有限元建模得到了验证。
为了在激光喷丸前对试样表面施加拉伸应力，试样会被一个带四根销的夹具预先加载。该预载夹具类似于图9所示的四点疲劳弯曲装置。底部两根销有限制，中心到中心距离为25.4毫米。顶部的两根销用于施加载荷，其间距为76.2毫米。顶部两根销的总负载为20,000N，每根销各承受10,000N。
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图9 -激光喷丸前预载下的应力分布
考虑热处理过程残留的应力，预载下顶表面的纵向应力约为+550MPa拉应力，约为渗碳面屈服强度的一半。在四点弯曲设置下，两根内侧销之间的弯曲力矩均匀，且对冲击区域的纵向应力也相对均匀。
前节描述的激光喷丸工艺参数也用于试件预载的喷丸。激光喷丸后，试件从夹具中释放，仿真预测的纵向残余应力云图如图10所示。
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图10 - 预载激光喷丸后纵向残余应力
图11比较了热处理、传统激光喷丸和预载激光喷丸的仿真预测残余应力。渗碳和油淬灭产生的表面残余压应力约为300MPa。采用传统激光喷丸时，压应力约为700MPa。通过预载激光喷丸，表面压应力为900MPa。
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图11 - 预测残余应力比较：(A) 沿试样厚度，(B) 放大图，接近表面
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三、技术优势分析

力学机制

预载激光喷丸技术的核心优势在于其独特的力学机制：
  • 降低屈服门槛：预拉伸使材料应力状态更接近屈服，显著降低激光诱导塑性变形的能量阈值
  • 增强变形约束：预载下试样整体处于弹性弯曲状态，激光冲击引起的局部塑性变形受到周围弹性区的更强约束
  • 优化应力分布：通过预载大小调节，可精确控制最终的残余应力分布，实现定制化应力场设计

工程应用前景

应用领域

基于本研究的技术突破，预载激光喷丸在多个高端制造领域展现出广阔的应用前景：

  • 航空航天领域：航空发动机涡轮盘、叶片、齿轮等关键部件
  • 能源装备领域：风电齿轮箱行星轮、太阳轮，核电主泵传动轴
  • 轨道交通领域：高速列车车轴、齿轮箱、转向架关键部件
  • 模具制造领域：热作模具钢制造的压铸模、锻模

DANTE仿真技术的价值

本研究展示了DANTE仿真技术在复杂工艺开发中的核心价值：

技术价值

    1.多物理场完全耦合求解能力
    2.跨工艺链数据无缝传递
    3.宽应变率范围本构关系
    4.仿真-实验验证闭环
对于制造企业而言，这种仿真驱动的研发模式可以将新工艺的开发周期缩短50%以上，将试错成本降低70%以上。

四、结论

本研究通过DANTE仿真技术，成功开发并验证了预载激光喷丸这一创新工艺，为解决渗碳钢构件极限强化难题提供了有效方案。900MPa的表面残余压应力、1.3mm的强化层深度，这些数字不仅代表了技术指标的突破，更象征着表面工程技术正从"经验驱动"迈向"科学驱动"的新阶段。
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