机械式挤压法的核心在于利用具有过盈尺寸的锥形心轴,使其在圆筒内壁滑动。在这一过程中,圆筒内壁受挤压产生塑性变形与残余应力,进而实现自增强效果。推动心轴在圆筒内滑动主要有三种方式:其一,借助冲头与水压机将心轴压入,此为间接液压方式;其二,把液压传导至心轴背面推动,即直接液压方式;其三,通过机械装置拉动心轴,称为机械拉牵法。
该方法主要适用于开式圆筒(如管子),具有经济性优势,无需外部限定模具,密封操作相对简易。其施加压力仅受心轴材料压缩强度制约,不受圆筒自身强度影响,能够产生很高的残余应力。在相同径比条件下,机械式挤压法与静液压法所需压力均取决于内径扩胀量,但对于相同屈服强度材料,前者所需压力远低于后者,且获得的周向残余应力更大。这是因为静液压法产生的残余应力易受包申格效应影响而降低,而挤压法是三向变形组合,内壁反向屈服程度小,故残余应力更高。不过,由于该方法与静液压法在超应变时应力状态存在差异,机械式挤压法自增强过程中,心轴与内壁间的摩擦力及接触面上法向应力的轴向分量,会在圆筒内壁产生较大轴向剪应力,随着轴向应力增加,周向应力会相应减小。这使得经过该方法处理的开式圆筒在再次进行液压屈服试验时,再屈服压力下降,弹性强度降低。但每种径比下都存在一个最佳超应变量,在此条件下,圆筒弹性强度极限可与 100% 超应变的静液压法处理效果相当 。
直接静液压法是将液体压力直接作用于圆筒内壁,促使其产生塑性变形与超应变,卸压后形成残余应力,以此提升容器的弹性强度极限与疲劳寿命。作为最早应用且最为常用的自增强方法,在大、中口径炮管以及高压、超高压容器和管道的自紧处理中广泛使用。
该方法的操作流程与容器液压试验相似,具备操作简便、灵活性高的优势,无需特殊压力元件,能使壁面实现均匀塑性变形,尤其适用于闭式容器自增强处理。针对开式圆筒,可通过端部密封装置进行处理。然而,直接静液压法需要超高压力源、超高压泵及配套管道和附件,超高压密封问题成为限制其应用范围的关键因素。
爆炸胀压法借助高能量炸药,在极短时间内产生高压,使圆筒或管子在高压气体与冲击波作用下快速发生塑性变形。内壁塑性变形量与炸药强度(单位长度炸药重量)相关,通过精准控制用药量,使爆炸产生的压力契合超应变所需,进而实现圆筒或管子的塑性变形目标。
采用该方法时,需充分考虑端部效应,即圆筒或管子端部塑性胀大量会逐渐减小,同时也要关注径向活塞效应的影响。爆炸胀压法能够在短时间内产生极高压力,但对炸药用量控制和环境安全要求极高。
固体自增强法选用塑性良好、熔点较低的固体介质(如铅),将其熔化后灌注到圆筒内,随后利用压(冲)杆挤压固体介质,使其塑性变形并将压力传递至筒壁,促使筒壁塑性变形,最终形成残余应力,该方法特别适用于极高压力工况下的自增强处理。
此方法具有多方面优势:一是可避免液体介质在极高压力下固化的问题;二是固体介质不可压缩,能充分发挥自增强压力,所需自增强压力相对较低;三是固体介质塑化后粘性高,便于解决筒体端部密封难题;四是安全性高,即便器壁存在薄弱部位发生破裂,也不会引发严重危险 。