切削加工残余应力对GH4169高温合金小裂纹尖端力学特性研究

马颖化

(陕西国防工业职业技术学院智能制造学院,陕西 西安 710300)

切削加工过程中已加工表面受刀具后刀面挤压、摩擦，在热力耦合作用下材料表面变质层产生残余应力，残余应力会使零件表面萌生裂纹或变形，影响零件表面硬度及疲劳寿命[1]。GH4169高温镍基合金(简称GH4169高温合金)因其良好的力学性能，常用于制造航空发动机中易受高温、高应变率载荷的零件(如机匣、叶片、涡轮盘)；因导热率及比热容小、高温强度高、黏性大等特点，在切削加工过程中材料容易产生高温、加工硬化、塑性变形和表面残余应力等现象，导致零件发生变形和畸变，造成极大安全隐患[2-3]。

卜居安等[4]研究了GH4169高温合金切削残留变形及切削力，研究结果表明，切削深度增大使得较大应力分布面积明显增大，切削力也随切削深度增加而增大。徐建建等[5]对预应力切削加工TC4钛合金表面残余应力进行研究，结果显示预应力切削可以调整已加工表面残余应力分布状态和大小，预应力越大，加工表面的残余压应力越大。刘鲁涛[6]研究了高速切削GH4169高温合金表面残余应力，结果表明，要获得较好的表面残余应力状态，在铣削宽度一定的情况下，应选取较高的铣削速度和较小的背吃刀量。李海燕等[7]研究了残余应力对含有Al2O3涂层的ZrO2陶瓷的强度和裂纹扩展阻力的影响，结果表明，表面残余压应力使得陶瓷裂纹扩展阻力提高，材料强度和损伤容限提升。综上所述，针对GH4169高温合金的切削加工研究多集中于切削参数对切削力、残余应力以及对零件疲劳寿命的影响，而对切削加工过程中热力耦合及残余应力对零件小裂纹的扩展行为鲜有研究[8-9]。本文使用硬质合金刀具对GH4169高温合金进行切削加工，利用数值模拟方法研究加工表面残余应力对零件小裂纹扩展行为的影响。

1 切削试验材料

1.1 材料特性

材料采用GH4169高温合金，其含Ni量为52%，650 ℃高温环境屈服强度居高温合金首位，复杂工况下仍具有较高、较稳定的力学性能。GH4169高温合金材料物理力学性能见表1[10]。

表1 GH4169高温合金材料物理力学性能

GH4169高温合金的熔点为1 260～1 320 ℃，热导率和比热容特性见表2[1]。

表2 GH4169高温合金热导率和比热容特性

1.2 材料本构模型及失效模型

GH4169高温合金在高温、高应力和高应变率下发生塑性变形，Johnson-Cook材料本构模型包含应变硬化效应、热软化效应及应变率强化效应参数，适用于描述材料高应变率变化的应力-应变关系，常应用于切削加工数值模拟中，模型表达式如下:

(1)

表3 GH4169高温合金材料Johnson-Cook模型参数

切屑分离准则采用Johnson-Cook材料剪切失效模型，其表达式如下：

(2)

当损伤系数ω大于1时，材料发生断裂破坏[11]。

2 模拟结果分析

2.1 切削加工残余应力

利用非线性有限元软件ABAQUS/Explicit模拟GH4169高温合金切削加工过程，设置刀具为刚体，采用YG8无涂层硬质合金刀具；刀具前角8°，后角10°；切削速度v=240 m/min，切削深度ap=1 mm。图1所示为残余应力沿工件表层深度变化分布情况，由图可知，工件表层残余应力先减小后增大，表层深度0.2 mm处残余应力为-350 MPa，表层深度大于0.6 mm时，残余应力非常小，因此预测关键结构零件寿命时加工残余应力对小裂纹扩展行为影响不可忽略。

图1 工件表面残余应力分布

2.2 加工残余应力对小裂纹裂尖力学参量影响分析

图2 材料应力-应变曲线

(3)

式中：σ为应力；ε为应变；E为弹性模量；K′和n′为材料的应变疲劳参数，K′=1 950，n′=0.15[12]。

图3 残余应力-外载荷耦合作用对裂纹尖端J积分强度值影响

2.3 加工残余应力对小裂纹裂尖应力应变场影响分析

图4 外载荷时残余应力对裂尖应力应变场强度影响

图5 外载荷时残余应力对裂尖应力应变场强度影响

图6所示为相同载荷、不同裂纹长度、受残余应力-外载耦合作用时裂纹尖端应力应变场强度变化情况。数据显示，随着裂纹长度增大，距离裂尖越近，应力应变场强度受残余应力影响越小，残余应力会导致裂尖应力场变化不稳定，对裂尖应变场的影响可忽略不计；距离裂尖越远，残余应力对应力应变场强度影响越大，应进一步利用扩展有限元或试验方式探究残余应力对裂纹扩展行为的影响。

图6 不同裂纹长度残余应力对裂尖应力应变场强度影响

3 结论