循环载荷下表面强化工业纯锆残余应力释放研究

对工业纯锆进行表面机械研磨处理(SMAT),实现其表面纳米化,并引入残余压应力场。采用偏光显微镜(PM)、透射电子显微镜(TEM)对SMAT处理试样显微组织进行表征,利用X射线应力仪测试不同循环加载周次下距试样表面不同深度处宏观残余应力。研究不同循环加载周次下距表层不同深度处X射线衍射峰半高宽的变化特征,并采用Voigt函数拟合X射线衍射峰,得到微观应变和位错密度的分布特征。结果表明:循环加载初期残余应力释放率最大,约为25%,随着循环加载周次增加残余应力释放率趋于稳定;不同循环加载周次下,随距表层深度增加,X射线衍射峰半高宽、微观应变和位错密度逐渐降低后趋于稳定;随着位错密度降低,残余压应力逐渐增加,位错密度值稳定于约2×1010cm-2时所对应的深度,和最大残余压应力对应的深度基本一致。循环载荷下残余应力释放是通过微观塑性变形过程中位错运动来实现。     

应力振动快速调整处理对铸铁轧辊表面残余应力的影响

利用X-射线衍射法测定了应力振动快速调整处理前、后φ800mm铬钼冷硬球墨复合铸铁轧辊表面的残余应力及衍射峰半高宽变化情况，结果表明：应力振动快速调整处理能有效地降低和均化铸铁轧辊表面残余应力，通过衍射峰半高宽的增大现象阃接反映轧辊表面产生了微观塑性变形及位错密度的增大。     

无保护层激光冲击强化的热效应研究

目的 深入理解无保护层激光冲击强化(LSPwC)的物理过程。方法 对轧制TA2纯钛板材进行LSPwC处理,通过激光扫描显微镜、X射线应力仪分析试样的表面形貌和残余应力分布,使用透射电子显微镜分析LSPwC后试样表层的微观组织特征。使用Abaqus软件建立LSPwC过程的热力耦合仿真模型,分析试样温度和应力演变规律。结果 当激光脉冲能量为30 mJ、光斑直径为0.4 mm时,经LSPwC处理后TA2试样表面形成了厚度约为50μm的残余拉应力层,其最大残余压应力达到560 MPa,出现在距表面100μm的次表层;经LSPwC处理后TA2试样表面产生了超细马氏体晶,距表面100μm的微观组织表现为高密度位错缠结。随着激光脉冲能量和光斑直径的增大,激光热效应的持续时间增长、热影响深度增大,经LSPwC处理后TA2试样的残余压应力层深度增大。在LSPwC过程中,距表面10.2μm以内深度层的冷却速度超过10⁶℃/s,但冷却速度随着脉冲能量和光斑直径的增大而减小。结论 在LSPwC过程中,激光热效应和激光诱导冲击波作用,导致试样表层迅速升温,并发生塑性变形,然后快速降温,形成...     

Inconel 718合金锻造压气机盘件的残余应力及显微组织特征（英文）

残余应力对商用发动机Inconel 718材料构件的疲劳性能、可靠性与耐久性起着重要作用,但由于中国中子衍射测量设备与测量经验与标准的缺乏,压气机盘件的系统性残余应力研究鲜见报导。采用X射线与中子衍射分别测量Inconel 718锻造盘件的表面及内部残余应力,采用扫描电子显微镜与透射电子显微镜观察锻造显微组织特征。锻造盘件表面呈压残余应力,内部为拉残余应力,且相比于锻造产生的残余应力,盘件表面的残余应力受粗加工影响较大。位错密度随距盘件表面的距离减小而增高,残余应力会加速位错产生与动态再结晶。     

基于位错密度演化的高频振动时效微观机理研究

为了揭示高频振动时效消除残余应力的微观机理,探讨了高频振动载荷作用下的位错密度演化特性对残余应力松弛的影响规律。分别采用Williamson-Hall(WH)法和小孔法分析高频振动前后Cr12MoV钢淬火试样的位错密度和残余应力。在实验研究的基础上,采用微观动力学理论,建立晶粒多自由度系统,分析高频振动激活位错运动的机制,进一步采用晶体塑性理论,建立高频振动作用下的位错密度演化控制方程,分析高频振动时效消除残余应力的微观机理。结果表明:材料内的位错在高频振动的作用下激活运动,产生位错累积和位错湮灭2个演化过程,其中材料内的位错湮灭过程占据主导地位,从而降低了材料内的位错密度;位错密度的降低减小了材料内的晶格畸变程度,从而松弛了材料内的残余应力。     

退火对表面机械研磨处理工业纯锆显微组织和残余应力的影响

对经表面机械研磨处理(SMAT)的工业纯锆进行不同温度的退火处理,采用偏光光学显微镜(PM)和透射电镜(TEM)对其表层显微组织进行表征,利用X射线应力仪、显微硬度计分别测试距试样表面不同深度的宏观残余应力场及硬度。利用Voigt函数拟合X射线衍射峰,分析不同退火温度下微观应变和位错密度的变化规律。结果表明：对于经退火的SMAT试样,随着退火温度的增加,试样表面残余压应力逐渐减小,且残余应力场深度、最大残余应力及其对应的深度均大幅度降低;不同退火温度下,微观应变及位错密度均随距表层深度的增加逐渐减小。     

激光淬火对回转轴残余应力影响的研究

通过激光淬火对35CrMo合金结构钢回转轴截面突变处进行局部强化,利用金相显微镜观察激光强化后表面的显微组织,采用X射线衍射法测量激光淬火后表面的残余应力及其分布状态。研究结果表明:经激光表面淬火处理后,回转轴表面组织由索氏体变为细小的马氏体,晶粒更加细化,组织分布较均匀。平行于激光扫描方向的表面残余压应力是未处理试样的2倍,垂直于激光扫描方向的表面残余压应力是原来的1.8倍,激光淬火后表面残余压应力是未处理前的1.9倍。由此可见,激光淬火能明显增大回转轴表面的残余压应力,有利于提高轴的疲劳性能,提高硬度。     

激光温喷丸诱导的铝合金焊接接头表面残余应力稳定性研究

研究激光温喷丸强化铝合金焊接接头的表面残余应力释放规律及其对疲劳寿命的影响。以6061-T6铝合金焊接接头为研究对象,分别采用激光温喷丸和常温激光喷丸强化处理,围绕抗拉疲劳寿命与残余应力释放规律开展研究。使用XRD衍射方法检测疲劳过程中焊缝及热影响区的残余压应力,研究激光温喷丸诱导残余压应力的释放规律,并基于J-C本构模型推导循环载荷作用下残余应力释放的分析模型。在应力比0.1,最大应力120 MPa,频率10Hz,拉拉正弦波加载条件下,比较测试激光温喷丸、激光喷丸和未喷丸试样的抗拉疲劳寿命。结果表明,激光温喷丸诱导的铝合金焊接接头表面残余应力稳定性大幅提高,并最终显著提高了接头的疲劳寿命。     

2024-T351铝合金方形光斑激光喷丸残余应力场数值模拟

为了分析激光喷丸作用后,以2024-T351铝合金为代表的高强航空铝合金材料表面和内部残余应力的分布情况,并为后续板料激光喷丸变形分析打下基础,在ABAQUS软件平台上,构建了一种方形光斑激光冲击的有限元计算模型,对方形光斑激光冲击诱导的残余应力场进行了数值模拟,分析了在无搭接和搭接率为25%的两种情况下,激光冲击产生的残余应力场在空间上的分布特征,发现冲击坑中心处残余压应力值较大且均匀性较好,边缘处出现了较大的拉应力且应力梯度较大。通过进行无搭接的激光喷丸实验和X射线衍射应力测试实验,验证了有限元模型的有效性。试件表面形貌通过激光位移传感器进行了测量观察。     

2024铝合金薄板激光冲击波加载的实验研究

采用高功率激光束单次冲击3种厚度(1.3 mm,1.7 mm,2.1 mm)的2024铝合金薄板靶材,利用STSS-1应力检测模块采集靶材背面应变片的动态与静态应变信号,并用XRD技术检测了靶材表面残余应力.建立了2024铝合金薄板靶材激光冲击波加载模型,并利用该模型描述了靶材内部应力波结构及传播规律,解释了冲击区域残余拉应力产生的原因.结果表明,激光冲击2024铝合金薄板靶材时,激光诱导的冲击波和约束层对冲击波的反射波透射到靶材内部各部位的应力波具有不同的特性和强度变化规律.激光功率密度远超出2024铝合金最佳激光功率密度范围和靶材厚度较薄这2个条件同时存在是冲击区域残余拉应力产生的根源所在.     

激光冲击TC17钛合金叶片的微观组织/应力演变及缺口振动疲劳性能

目的 提高航空发动机叶片的抗疲劳性能。方法 采用高功率密度短脉冲激光冲击某型发动机TC17钛合金整体叶盘叶片模拟件,并采用飞秒激光在进气边预制缺口。通过扫描电子显微镜和透射电子显微镜表征激光冲击前后的表层微观组织。通过X射线衍射和三坐标测量仪分别测量激光冲击强化过程中的残余应力演变和宏观塑性变形,并由一阶弯曲振动疲劳对激光冲击强化效果进行评价。结果 激光冲击在TC17钛合金叶片表层诱导产生了高密度位错组织,但由于冲击次数的控制,未产生明显的晶粒细化效应。激光冲击叶盆面后,叶盆面呈现压应力状态,残余应力为330.5 MPa,叶背面呈现拉应力状态,其值为55.5 MPa。进一步激光冲击叶背面后,叶背面的拉应力转变为压应力,其值达到了267.0 MPa,叶盆面残余压应力减小,由330.5 MPa变为261.9 MPa。激光冲击叶盆面后,进气边与叶尖交点偏离初始位置0.119 1、0.129 1 mm;冲击叶背面后,位移偏离初始位置减小,分别为0.071 08、0.099 mm。激光冲击强化后,缺口振动疲劳寿命显著提升,平均循环次数由56 696周次增加到199 515周次,出现了明显的裂纹闭合效应。结论 激光冲击强化在TC17钛合金表层引入了高密度位错组织和双面贯穿式残余压应力,并将叶片宏观塑性变形控制在0.1 mm以内,在疲劳性能上获得了显著的提升。     

激光冲击铝合金微结构演化及力学行为的分子动力学模拟

目的 揭示激光冲击铝合金的微结构演化过程及塑性变形机制,探究残余应力产生的机理,为激光冲击提升铝合金力学性能提供理论参考。方法 基于分子动力学模拟,采用活塞冲击法实现多晶铝合金(Al-Mg-Zn-Cu)在不同加载速度下的冲击强化。利用共邻分析法和位错提取法,研究铝合金的微结构演化过程、位错分布以及激光冲击影响铝合金力学性能的内在机理。结果 在冲击波加载阶段,当高速冲击波作用时,铝合金出现大量滑移系,产生高密度位错。在保载阶段,位错集中在晶界附近,导致多晶铝合金发生晶界塑性变形。在卸载阶段,不同类型位错之间进行了相互转化。铝合金两端晶粒和晶界的塑性变形,导致了残余压应力的产生。对完全卸载后的铝合金进行单轴拉伸模拟,发现0.7 km/s和1.0 km/s的冲击速度下,残余压应力抵消了部分拉伸应力,变形晶界附近产生新的位错,且晶界发生迁移和合并,导致极限应力分别提升15%和22%。结论 激光冲击对Al-Mg-Zn-Cu铝合金的微结构及力学性能影响显著,在高速冲击波作用下,铝合金两端发生剧烈的塑性变形,导致残余压应力的产生。单轴拉伸时,残余压应力抵消了部分拉伸应力,且铝合金晶粒内发生原子变形产生新的位错,同时晶界发生运动,最终使得极限应力增大,铝合金的力学性能得到提升。     

吸收层对铜箔飞秒激光冲击强化的影响

目的 通过对不同吸收层下飞秒激光冲击后Cu箔的显微组织和力学性能变化分析,选出强化效果更好的吸收层.方法 利用飞秒激光对覆有百纳米厚度吸收层的铜箔(Cu-nm)和覆有百微米厚度吸收层的铜箔(Cu-μm)进行冲击强化,通过扫描电镜、电子背散射衍射仪、X射线衍射仪、显微硬度计对两个样品进行显微组织和力学性能的观测分析.结果 飞秒激光冲击后,Cu-nm主要产生形变孪晶,孪晶比例提高了60.9％,大角度晶界比例提高了12.8％,显微硬度提高了10.8％;Cu-μm主要发生位错变化,位错密度增加16％,小角度晶界比例提高9.8％,显微硬度提高2.2％.除此之外,经飞秒激光冲击后,Cu-nm产生了更大的残余压应力,不仅中和了母材的残余拉应力,还表现为残余压应力;而Cu-μm经飞秒激光冲击后,产生的残余压应力无法完全中和母材的残余拉应力,仍显示为残余拉应力.结论 对比研究得出,飞秒激光冲击Cu-nm后,实现了微观组织孪晶化,改变了残余应力状态,提高了铜箔表面的硬度.     

Study of Residual Stress and Surface Morphology Changes in Al2O3 Induced by Nd:YAG Laser Irradiation

In this study, the residual stress and surface morphology changes in alumina plates by the irradiation of a Q-switched Nd:YAG laser were investigated. The results of x-ray diffraction using the sin²ψ technique show that laser irradiation induces tensile residual stresses on the surface of the plates, which increase with the increasing energy density of the laser beam. Residual stress and surface morphology are sensitive to the irradiation conditions. The surface morphology of the plates systematically changed with the laser energy density and the presence of an aluminum foil or water on the plates. The physical reasons for these changes are discussed in this article.     

Grain refinement of LY2 aluminum alloy induced by ultra-high plastic strain during multiple laser shock processing impacts

The plastic deformation behavior and the effects of the impact time on the LY2 aluminum (Al) alloy during multiple laser shock processing (LSP) impacts were investigated. The residual stress in the near-surface region was determined by X-ray diffraction. In addition, the micro-structural features of the hardening layer were characterized by scanning electron microscopy, optical microscopy and transmission electron microscopy. It was found that the micro-structure was obviously refined due to the ultra-high plastic strain induced by multiple LSP impacts. The minimum grain size in the top surface after multiple LSP impacts was about 100–200 nm. The grain refinement process after multiple LSP impacts can be described as follows: (i) the formation and development of dislocation lines in original grains; (ii) dislocation tangles (DTs) and the formation of dense dislocation walls (DDWs); (iii) transformation of DTs and DDWs into subgrain boundaries; and (iv) evolution of the continuous dynamic recrystallization in subgrain boundaries to refined grain boundaries.     

钛合金板料激光曲线弯曲及热辐射对其组织性能的影响

研究了激光能量密度、路径曲率和扫描次数对TC4（Ti－6Al-4V）板料弯曲变形的影响规律,同时,分析了热辐射对板料显微组织和表面硬度的影响。结果表明：（1）存在一个最的能量密度值使板料一次弯曲所获得的的弯曲角度达到峰值;（2）随路径曲率的增加,弯曲角度减小;（3）第一次扫描以后的扫描次数与弯曲角度呈准线性关系。（4）合适的工艺参数不会导致材料显微组织变化,且激光热辐射对材料表面有淬火效应,使加热区材料表面硬度均有所提高。     

Effect of low temperature treatment on tensile yield strength of SiCw/6061 Al alloy composites

1　ＩＮＴＲＯＤＵＣＴＩＯＮＩｎＳｉＣｗ/ 60 61ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ,ｔｈｅｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｏｆｔｈｅｔｈｅｒｍａｌｅｘｐａｎｓｉｏｎｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｂｅｔｗｅｅｎｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ(ＳｉＣｗ)ａｎｄｍａｔｒｉｘ(Ａｌａｌｌｏｙ)ｉｓｖｅｒｙｌａｒｇｅ.Ａｓａｃｏｎ ｓｅｑｕｅｎｃｅ,ｗｈｅｎｔｈｅｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｉｓｃｏｏｌｉｎｇｄｏｗｎｆｒｏｍｔｈｅｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｔｏｒｏｏｍｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ,ａｌａｒｇｅｍｉｓｍａｔｃｈｔｅｎｓｉｌｅｓｔｒ…     

冷喷涂改善2219铝合金熔焊接头残余应力新方法

目的采用冷喷涂技术改善2219铝合金变极性钨极氩弧焊(VPTIG)焊接接头残余应力。方法采用冷喷涂技术在8 mm厚2219铝合金VPTIG焊接接头表面进行Cu涂层制备,分析冷喷涂前后接头微观组织、力学性能及残余应力的变化,探究冷喷涂过程中高速碰撞颗粒的"喷丸效应"与加热气体的"热效应"对接头残余应力的改善作用及内在机制。结果冷喷涂前后,接头整体的微观组织无明显变化,但在焊缝表面(Cu涂层与焊缝结合面处)观察到明显的塑性变形。冷喷涂后,焊缝区上表面显微硬度提高,作用深度约2 mm(余高处);接头抗拉强度表观上稍有降低,这是由于涂层对焊缝的拉伸应变局部化改变所致,"喷丸效应"与"热效应"单独作用下,接头抗拉强度无明显变化,所有拉伸试样均从焊趾处沿着熔合区发生断裂。焊态接头残余应力分布总体呈拉应力状态,在焊缝处最大,经过冷喷涂后,焊缝残余拉应力峰值从约200MPa降到约24MPa,大部分区域从拉应力变为压应力,且分布均匀性变好。结论冷喷涂技术可以显著改善VPTIG焊接接头残余应力分布。冷喷涂粒子的"喷丸效应"对基体残余应力的改善作用显著。高温气流的"热效应"虽未能显著降低残余应力,但使应力分布变得均匀。     

7050铝合金二维超声滚压加工残余应力场研究

目的研究二维超声滚压后7050铝合金残余应力场的形成过程和表层残余应力的分布规律。方法利用有限元软件模拟二维超声滚压加工,分析残余应力场的形成过程及表层残余应力的分布规律;采用正交试验方法进行7050铝合金二维超声滚压加工试验,研究工艺参数对表面残余应力的影响规律,并与有限元分析结果相对比,验证有限元模拟的合理性。结果在二维超声滚压加工过程中,7050铝合金表层材料应力随时间先减小后增大,最后趋于稳定,形成残余应力。残余压应力沿滚压深度方向先增大后减小,再转化为残余拉应力。残余压应力层厚度约为1.05 mm,最大残余压应力值约为285 MPa。在相同的工艺参数下,有限元分析结果与试验结果基本吻合。静压力对表面残余应力的形成影响最大,表面残余压应力随静压力的增大而增大。结论二维超声滚压加工使7050铝合金表面发生剧烈的塑性变形,并形成一定深度的残余压应力。铝合金表面残余压应力随静压力的增大而增大,而与转速和进给量无关。