论文标题：
考虑结构回弹模拟 Inconel 718高温合金超声滚压表层残余应力和应变分布
论文作者：
黄华浙 1，阮友赐 1，马 挺 1, 2，尹存宏 1, 2，胡雄风 1，李 能 1
作者单位：
贵州大学机械工程学院
贵州安吉航空精密铸造有限责任公司
DOI：10. 11973/jxgccl250109
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Inconel 718高温合金是应用最广泛、最重要的镍基高温合金之一，具有卓越的高温强度、优异的抗蠕变和疲劳性能、良好的抗氧化和耐腐蚀性能以及相对较好的加工性能。超声滚压技术是提升金属零部件性能的主流方法，其机理是使零部件表层形成残余应力场。但是，不合理的残余应力场反而会导致零部件使役性能降低。有效控制表层残余应力场的前提是精准测定残余应力。传统试验测试方法需要借助钻孔法、剥离法等获得不同深度的应力，试样量大，耗时长且人力消耗也大。有限元模拟方法可以快速获得零部件内部各点处的残余应力，耗时短且消耗小，因此获得研究人员广泛关注。
在高频率超声滚压作用下，金属材料表面的应力场会因包辛格效应发生变化导致有限元模拟结果不准确。因此，在进行超声滚压有限元模拟时应当考虑卸载后的回弹行为。但是，目前考虑结构回弹模拟Inconel 718高温合金超声滚压后残余应力分布的相关研究较少。
作者分析了超声滚压过程中Inconel 718高温合金的力学响应，建立考虑卸载后结构回弹的超声滚压有限元模型，通过残余应力和塑性应变模拟，并与试验结果对比，验证了模型的可靠性，以期为提高预测超声滚压后残余应力分布的准确性提供参考，为Inconel 718高温合金超声滚压工艺优化和残余应力调控提供指导。
1 试样制备与试验方法
本章节重点包括：
1. 试验材料为Inconel 718高温合金棒，详细列出了其化学成分。
2. 试样制备：在合金棒上制取狗骨形试样。
3. 超声滚压装置及参数：使用HKUSM30S型超声滚压装置，具体参数包括碳化钨工具头半径5mm、静压力332 N、频率27600Hz、进给速度14.4 mm/min、主轴转速500 r/min、滚压次数2次。
4. 残余应力测试：采用X射线衍射仪测试，锰靶，K射线，电压25 kV，电流10 mA，扫描范围145°~165°；深度方向残余应力通过电解腐蚀剥离法测试，使用饱和NaCl溶液，电压5 V，电流0.1 A，腐蚀30s。
5. 试样处理与观察：截取超声滚压区域中段试样，经研磨、抛光后，使用SEM进行形貌观察和EBSD分析。
2 超声滚压技术回弹分析及其力学模型
本章节重点介绍了超声滚压技术中的回弹分析及其力学模型。主要内容包括：
1）对超声滚压过程进行简化假设，将接触过程视为半无限体在均匀加载条件下形成均匀残余应力场和塑性应变场的过程；
2）采用LI等提出的模型描述弹塑性变形接触中弹性应变和弹塑性应变之间的线性关系；
3）分析试样表面总载荷的组成，包括稳定静载荷和动态冲击载荷；
4）建立超声滚压过程中工具头位移与时间的关系，计算应变速率；
5）选用Johnson-Cook本构模型预测表层变形；
6）推导残余应力的计算公式，考虑材料模型的弹性极限和应力松弛产生的结构回弹。
3 考虑结构回弹的有限元建模
本章节重点介绍了考虑结构回弹的有限元建模方法，主要包括以下内容：
1.分步计算法：采用Abaqus/Standart模块模拟静载荷下压过程，再通过Abaqus/Explicit模块模拟动态冲击载荷，最后回传结果模拟结构回弹，得到残余应力场。
2. 模型假设与参数：工具头设为刚体（R3D4单元），试样材料参数（弹性模量、泊松比、密度）及Johnson-Cook本构模型参数（应变速率、温度影响忽略）被明确给出。
3. 网格与接触计算：基于Hertz理论计算接触面积（椭圆长/短半轴0.27/0.09 mm），静载阶段网格细化至0.03 mm，确保模拟精度。
4. 时间积分与稳定性：采用显式中心差分法，时间增量步设为5×10⁻⁷ s（低于稳定性极限6×10⁻⁷ s），以保障计算稳定性和结果准确性。
5. 计算效率：针对超声滚压的高非线性动态问题，通过合理设置单元尺寸和时间步长平衡计算成本与精度。
4 有限元结果分析与验证
本章节重点包括：
1. 残余应力分布特征：最大残余压应力出现在试样表面，随深度增加逐渐减小并转为拉应力，最终在内部达到平衡。考虑结构回弹的模拟结果更接近试验数据（相对误差1.09% vs 17.93%），且残余压应力更大（1116 MPa vs 956 MPa）。
2. 模拟精度对比：考虑结构回弹的模型在70μm以深层深区域残差更小，尤其在131-161μm处残差为零；近表层（10-70μm）残差较大可能与工具头刚性假设有关。该模型的均方根误差、平均绝对百分比误差分别降低8.196和38.204%。
3. 微观组织分析：超声滚压导致0-50μm表层晶粒显著细化（平均6.51μm），伴随高频次大角度取向差；100μm以下晶粒尺寸恢复至基体水平（约41μm）。局部取向差曲线与等效塑性应变曲线在25-175μm层深内吻合良好，验证了模型可靠性。
4. 统计验证：考虑结构回弹的模型Pearson系数更高，Spearman系数均为0.988，表明其能更准确反映残余应力随深度的线性关系和单调变化趋势。
声滚压后试样的截面 EBSD 图像
（1）考虑结构回弹模拟得到超声滚压后Inconel718高温合金的残余压应力高于未考虑结构回弹模拟值，表层最大残余压应力由未考虑结构回弹的956 MPa增加至1116MPa，残余压应力影响深度则由151μm增加至186μm，更接近试验结果（1120MPa，184μm），考虑结构回弹后残余压应力影响深度的相对误差由17.93%下降至1.09%。
（2）相比层深100~200μm，超声滚压后层深0~100μm的局部取向差均值较大，平均晶粒尺寸较小。考虑结构回弹的有限元模型具有高可靠性，能够准确描述25~175μm层深内应变特征，模拟结果与试验结果具有一致的增量响应。
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