超声冲击中的能量传递机制及其单周期等效实验方法

《Ultrasonics Sonochemistry》：Energy transfer mechanism in ultrasonic impact and its single-cycle equivalent experimental methodology

　　

姜青山|童然|赖永庆|林佩涵|钱鹏博|徐志龙|孙飞

摘要

超声冲击处理被广泛用于提升工程零件的表面质量和疲劳性能。然而，现有方法由于无法准确描述单次冲击周期内的瞬态行为，从而限制了基于理论的参数优化发展。本文研究了单次超声冲击过程中的应力波传播机制，并提出了一种基于一维冲击应力波理论的等效冲击实验分析方法。其创新之处在于，通过严格推导的能量等价原理，将复杂的高频过程分解为可控的单次冲击事件。建立了基于应力波传播的能量传递模型，进而推导出了冲击参数的等价条件。同时构建了超声冲击处理和等效冲击处理的有限元模型。使用6061-T6铝合金和45号钢在等效冲击测试平台上进行了验证。等效冲击测试中测得的应力波曲线与理论超声冲击曲线高度吻合，最大振幅和脉冲宽度的误差分别控制在4.4%和5.4%以内。模拟结果与等效冲击测试结果的对比显示，不同方向下的最大深度和直径误差分别低于3.7%和7%，最大残余应力误差低于5.5%，硬度误差则在5.2%以内。电子背散射衍射分析表明，两种方法得到的晶粒尺寸分布具有高度一致性。本研究为超声冲击机制的深入研究奠定了理论基础，也为各类基于超声的工艺开发提供了新的思路。