激光喷丸强化铝合金疲劳特性的数字化分析

激光喷丸强化(LSP)是一种基于冲击波力效应的非传统抗疲劳制造技术,目前关于激光喷丸强化的研究大多集中在机制和实验上.由于激光冲击过程是一个复杂的热力耦合过程.涉及的因素较多,实验方法难于全面理解各种参数对激光喷丸效果的关联影响.介绍了典型的激光喷丸强化过程的数字化分析方法,以有限元分析工具ABAQUS和MSC.Fatigue为平台,通过编制激光冲击波加载模块,解决了数据流传递中的接口问题.以2024-T3航空铝合金试样为例,对激光喷丸强化过程中激光冲击波的传播、残余应力大小以及疲劳特性行为等进行了数值分析,并对激光喷丸强化的疲劳寿命进行了预测,建立起了激光冲击波压力一残余应力一疲劳寿命之间的数字化分析方法,实现了激光喷丸过程和喷丸效果评价的可视化.     

AZ31B镁合金激光喷丸后的形变强化及疲劳断口分析

对AZ31B镁合金中心缺口试样进行激光喷丸强化(LSP)处理,并进行拉-拉疲劳试验。通过研究激光喷丸前后表面完整性的变化规律,发现喷丸后AZ31B试样以滑移和孪生两种方式产生塑性变形,表面及深度方向显微硬度较基体提高50%左右,喷丸区表面残余压应力值达到-126.29MPa,晶粒内部出现大量滑移线和孪晶,晶粒明显细化。通过测量加载点轴向载荷和轴向位移分析了激光喷丸前后的疲劳性能,并比较激光喷丸前后疲劳断口形貌特征,发现喷丸后试样表面没有产生明显的疲劳裂纹源,残余压应力使裂纹尖端的实际应力强度因子降低,提高了疲劳裂纹萌生和扩展抗力,疲劳裂纹扩展路径较未处理试样更为曲折,最终断裂区韧窝尺寸比未喷丸件更大更深,表明激光喷丸后试样的塑性有所提升。     

激光喷丸强化ZK60变形镁合金的疲劳性能研究

为研究激光喷丸对高强度变形镁合金ZK60疲劳性能的影响机理,使之适应交变应力结构件的工作需要,进行了激光喷丸强化表面改性和拉伸疲劳性能实验。实验结果表明,在激光喷丸强化区域获得有益的残余压应力,产生硬化效应,表面塑性变形的微小区域,变形轮廓曲线波动范围较基体小,增加喷丸次数可增强激光喷丸的强化效应。经3次激光喷丸后,中心孔疲劳试样的平均疲劳寿命由未喷丸试样的78023次提高到125641次,寿命增益达61%。从断口来看,激光喷丸强化主要是改变了裂纹源萌生位置,延缓了裂纹扩展速率,对瞬断区无明显影响。激光喷丸强化为镁合金的抗疲劳制造提供了新的途径。     

激光喷丸强化CT试样疲劳裂纹扩展的数值研究

为了研究激光喷丸强化对疲劳裂纹扩展的影响,采用有限元分析软件ABAQUS和MSC.Fatigue相结合,以6061-T6铝合金CT件即紧凑拉伸试样为研究对象,数值模拟其经1次～3次激光双面喷丸处理后的残余应力大小、疲劳寿命、裂纹扩展速率及最终裂纹尺寸。在理论分析的基础上,建立面向抗疲劳制造的激光喷丸工艺有限元分析模型,首先在ABAQUS中模拟出激光喷丸诱导的残余应力场,再将其导入疲劳分析软件MSC.Fatigue进行激光喷丸后疲劳裂纹扩展及其性能的数值模拟分析。结果表明,激光喷丸处理可以有效抑制疲劳裂纹的扩展,降低裂纹扩展速率和增大最终断裂尺寸长度,从而达到延长疲劳寿命的目的,喷丸次数的增加在一定程度上增大了激光喷丸强化的效果,但增益的效果会减弱。这为激光喷丸强化抗疲劳制造的理论分析和后续试验提供了必要的依据。     

受控激光喷丸强化技术

介绍了一种利用强脉冲激光诱导产生的冲击波压力来进行金属表面改性的新技术——受控激光喷丸强化技术，可以大幅度提高金属材料的疲劳寿命和抗应力腐蚀能力，但疲劳寿命和抗应力腐蚀能力并不总随着喷丸强度的提高而线性增加。最佳的疲劳寿命和抗应力腐蚀能力常出现在特定的残余压应力水平和分布下，也即取决于喷丸参数的最佳组合。由于激光喷丸中工艺参数对喷丸后工件表层的残余应力场有决定性的影响，如何依据已给的疲劳寿命和抗应力腐蚀能力来合理确定喷丸强化的工艺参数成为目前主要的研究方向。受控激光喷丸的机理与残余应力的形成过程密切相关。首先在理论上研究了影响残余应力分布的激光喷丸工艺参数，如激光功率密度、脉冲宽度、光斑直径等，以及这些参数和残余应力层深度的关系。然后采用QT700-2试样进行激光喷丸强化对比实验，对激光喷丸后的残余应力场大小及其分布进行了无损检测。结果表明，在激光喷丸强化工件时，残余压应力层厚度存在一个最佳值，此时金属表面的疲劳性能和抗应力腐蚀性最优，喷丸工艺参数也达到一个最佳组合。     

基于不同应力比下激光喷丸强化6061-T6铝合金的疲劳裂纹扩展性能研究

为了研究不同应力比下激光喷丸强化(LSP)对6061-T6铝合金疲劳裂纹扩展性能的影响,采用有限元软件ABAQUS和疲劳分析软件MSC.Fatigue相结合,对应力比为0.1、0.3、0.5条件下的6061-T6铝合金紧凑拉伸(CT)试样进行了激光喷丸强化疲劳裂纹扩展的数值模拟,分析残余压应力对高低应力比下的裂纹闭合效应,探索不同应力比对激光喷丸强化疲劳寿命增益的影响。结果表明,经过激光喷丸后,3种不同应力比下的疲劳裂纹扩展速率较未处理试件都有一定的降低;应力比的取值对激光喷丸后CT试样的疲劳寿命有显著影响,应力比越小,激光喷丸对CT试样疲劳寿命的增益影响越明显。     

激光喷丸与渗铝复合工艺提高K417 合金力学性能研究

对渗铝、渗铝后强化、强化后渗铝的K417合金试件分别进行振动疲劳试验。试验结果表明,相对于渗铝处理,强化后渗铝试样的疲劳强度提高了50%,而渗铝后强化试样的疲劳强度提高了30%,这说明渗铝与激光喷丸强化复合工艺可以提高材料的疲劳性能,且强化后渗铝效果更好。采用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)分析激光喷丸强化与渗铝复合工艺顺序对材料力学性能的影响,讨论了疲劳性能的改善机理。结果表明,激光喷丸强化促进了渗铝过程,生成大量柱状晶,渗层厚度增加,渗层与基体的结合更加紧密,从而有效提升疲劳性能;而渗铝后强化主要对渗层表面进行了形变强化,疲劳性能的提升有限。     

基于应变速率的激光喷丸强化6061-T6铝合金力学性能分析

为研究不同应变速率下激光喷丸对6061-T6铝合金力学性能的影响,对标准拉伸试样进行单面和双面激光喷丸强化处理,随后在0.0001～0.1s-1 4种连续应变速率加载条件下,对未喷丸、单面喷丸、双面喷丸3组试样进行了力学性能测试,同时测试了试样表面残余应力,分析了喷丸前后材料表面粗糙度变化及其对延伸率的影响,探讨了激光喷丸后力学性能变化的微观机理。结果表明,抗拉强度(UTS)及屈服强度随应变速率的增加而增大,延伸率随应变速率的增加略微减小;与未处理试样相比,单面激光喷丸后,铝合金的抗拉强度及屈服强度得到小幅提高,延伸率大约降低了1%;双面激光喷丸后,铝合金抗拉强度最大提高了10.8%,屈服强度最大提高了12.5%,延伸率降低了2%左右。激光喷丸区域晶粒得到细化,位错密度得以增加,6061-T6铝合金的力学性能得到改善。     

金属板料激光喷丸与机械喷丸强化的应力场数值研究

在分析激光喷丸和机械喷丸强化机理的基础上，以有限元软件ABAQUS/CAE为平台，建立了激光喷丸强化模型和机械喷丸强化的有限元模型。解决了激光喷丸强化中激光冲击波转换加载的方法;对于机械喷丸强化，解决了弹丸与板料间的装配模型。数值模拟分析了激光单点喷丸板料后，材料厚度方向的残余应力分布，以及激光多点。多排喷丸板料后材料厚度方向的残余应力分布。对于机械喷丸强化，分析了单个弹丸高速撞击板料和多个受控弹丸撞击板料后残余应力分布场情况。通过分析比较这两种方法在板料中产生的残余应力大小、残余应力深度以及表面形貌的优劣，得到的结论是，激光喷丸强化提高材料使用寿命的效果明显优于传统的机械喷丸强化技术，激光喷丸有望替代传统机械喷丸技术在材料表面改性强化中获得广泛应用。     

深冷激光喷丸对TC6钛合金阻尼特性及振动疲劳寿命的影响

为了研究深冷激光喷丸(CLP)对TC6钛合金阻尼特性及振动疲劳寿命的影响,分别在室温(25℃)和深冷温度(-130℃)条件下进行激光喷丸实验,然后采用透射电子显微镜(TEM)对激光喷丸处理前后试样的微观组织进行观察,采用频率响应法对试样的阻尼比进行测试,并采用液压振动疲劳测试系统对强化后的试样进行振动疲劳测试,分析CLP处理对试样阻尼特性的影响机制及其与疲劳寿命的关系,最后采用扫描电子显微镜(SEM)对试样的振动疲劳断口进行观察。结果表明:CLP处理在试样表层产生了大量的位错和形变孪晶,可以有效提高TC6钛合金试样的阻尼比及振动疲劳寿命。     

激光冲击处理对AZ31B镁合金焊接件抗应力腐蚀的影响

为了研究激光冲击处理对镁合金焊接件应力腐蚀性能的影响,采用激光波长1064nm,脉冲宽度15ns,脉冲能量4J,光斑直径3mm的钕玻璃脉冲激光器,对AZ31B镁合金交流氩弧焊接件表面进行冲击处理。室温下采用三点加载的方式,在去离子水中对试样进行应力腐蚀实验。利用光学显微镜和透射电镜观测激光冲击试样微观结构,利用扫描电镜观测应力腐蚀断口。实验结果表明:根据优化的激光参数,能在试样表面制得纳米结构表层,样品表面纳米晶粒大小为35nm左右;激光冲击处理改变了试样表面的应力状态,由残余拉应力60MPa转变为残余压应力-125MPa;激光冲击处理后自腐蚀电位增大88mV,腐蚀电流减小了73.4%,从而降低试样腐蚀倾向;未激光冲击的试样在浸没了192h后出现应力腐蚀开裂,而激光冲击的试样在浸没了10个月后未出现裂纹,这表明激光冲击处理能够提高AZ31B镁合金焊接件抗应力腐蚀的能力。     

激光冲击次数对镁合金电化学特性的影响

为了研究激光冲击对镁合金表面抗腐蚀性能的影响,利用钕玻璃脉冲激光对AZ31镁合金表面进行不同次数的激光冲击处理,用透射电子显微镜观察镁合金表层的微观组织,并采用电化学测量技术在氯化钠溶液(质量分数为0.035)中测试其极化曲线和电化学交流阻抗谱的影响。结果表明,激光冲击波导致镁合金表面层产生超高应变速率的塑性变形;晶粒内部存在与孪晶相互交叉、相互缠结的高密度位错而导致晶粒细化;极化曲线和交流阻抗谱表明1次激光冲击后AZ31的自腐蚀电位提高约267mV;腐蚀电流稍有增大,反应电阻增大,抗腐蚀性明显提高;随着冲击次数的增多,腐蚀抗力未明显提高。其相应的交流阻抗谱也得出与极化曲线相同的结论。该研究对于激光冲击处理镁合金提高耐腐蚀性具有一定的参考价值。     

7050航空铝合金结构材料激光冲击强化处理研究

用自行研制的激光冲击强化处理(LSP)装置对两种重要航空铝合金结构材料7050T7451，7050T7452冲击强化试验，进行了疲劳寿命对比试验。给出了反映疲劳应力水平与结构件寿命对应关系的σm-N曲线。结果表明．在67．3MPa的加载应力水平下，激光冲击处理后7050T7451结构材料的疲劳寿命提高到未经处理的435％，而7050T7452在81．4MPa的应力水平下提高到518%。并对试件进行了激光冲击处理机理的研究。结果显示试件表面具有较大的残余压应力和较高的位错密度。     

激光冲击强化AZ31镁合金表面残余应力分析

为了优选激光冲击工艺参量以获得最大的表面残余压应力,利用激光冲击和塑性变形理论推导出了激光冲击AZ31镁合金表面最大残余压应力公式,并采用ABAQUS有限元软件分析了其激光冲击后的残余应力场。结果表明,获得较大残余压应力场的激光冲击波载荷范围为1.2GPa~1.7GPa,随着载荷的增加,残余应力增加,当载荷在1.4GPa~1.6GPa时,最大残余压应力为125MPa左右;冲击载荷在1.8GPa时,出现轻微的残余应力洞现象;而在大于1.9GPa时,均出现明显的残余应力洞现象;载荷p=1.474GPa时最大残余应力为-128.5MPa。理论推导和有限元分析结果基本一致。     

激光冲击强化对TC17钛合金高周疲劳性能的影响

为了研究激光冲击强化对TC17钛合金高周疲劳性能的影响,对TC17钛合金进行激光冲击强化处理,并对处理前后的试样进行了高频疲劳试验,对疲劳断口和形貌用扫描电镜和透射电镜进行了观察。7J能量激光冲击2次后,材料在300MPa下的疲劳寿命相比未处理的材料提高了近2倍;相比于母材试样,强化试样的裂纹源位于次表层深处,扩展区的疲劳条带排列更加紧密。结果表明,激光冲击强化后,试样表面强化区域产生高密度位错和位错缠结。这些缺陷能有效地阻止疲劳裂纹的萌生和扩展,进而改善TC17钛合金的高周疲劳性能。     

双面激光冲击次序对小孔件强化效果影响研究

小孔构件是典型的应力集中细节,其易在疲劳载荷下产生裂纹,影响关键结构的使用性能和服役寿命。为了研究双面冲击次序对小孔件强化效果的影响,对双面激光同时冲击强化(双面对冲)和依次冲击强化的TC4-DT小孔构件进行了疲劳拉伸试验,并利用ABAQUS有限元软件,对两种冲击次序强化后的残余应力分布进行了仿真。结果表明,双面对冲的试样疲劳增益是双面激光依次冲击强化后的2倍以上;双面对冲后小孔件的应力分布更均匀,其疲劳源明显偏离厚度中点处,而双面激光依次冲击时,两激光冲击表面的残余应力差较大。仿真结果与试验有较好的一致性。