激光冲击AM50镁合金残余应力场的有限元分析

为了研究镁合金在激光冲击载荷作用下残余应力场的特征,采用实验测试和有限元分析的方法对激光冲击区的残余应力进行了研究.试验中使用Nd:glass脉冲激光对AM50镁合金表面进行冲击强化处理,当激光功率密度为3GW/cm2时,表面的残余压应力值高达-146MPa,残余压应力层深约0.8mm;用有限元分析软件ABAQUS对残余应力场进行数值计算,得到激光功率密度大于0.49GW/cm2时,将产生残余压应力,随着功率密度的增加,残余压应力值增加并趋于饱和;激光功率密度在1.95GW/cm2～3.06GW/cm2之间时,残余压应力值达到饱和.结果表明,实验测试数据与数值计算结果一致性较好,该结果可为激光冲击参量的优化提供理论依据.     

激光冲击参数对残余应力场影响的三维数值模拟

数值模拟是预测激光冲击残余应力场、研究激光冲击参数对残余应力场影响的一种有效方法。采用显式动力有限元软件ANSYS/LS-DYNA对激光冲击处理(LSP)40Cr钢残余应力场进行三维数值模拟;建立了激光冲击处理40Cr钢残余应力场有限元分析(FEA)模型,实现了激光冲击处理40Cr钢残余应力场的数值模拟;模拟研究了激光功率密度、激光脉冲持续时间、激光光斑尺寸对40Cr钢残余应力场的影响。数值模拟结果表明,残余应力模拟值与实测值之间有着较好的一致性;在激光脉冲持续时间一定的条件下,要想获得最大的表面残余压应力,存在一个最佳的激光功率密度;在激光功率密度一定并且脉宽大于45ns的情况下,表面残余压应力随激光脉冲持续时间的增加而减小;在激光功率密度、激光脉冲持续时间一定的条件下,表面残余压应力随光斑直径增大而增大。     

TC4钛合金激光搭接冲击强化的实验和数值模拟

为了研究激光搭接冲击时残余应力场的特征以及激光冲击参量对搭接区残余应力场的影响,采用高功率钕玻璃激光系统对TC4板进行了激光搭接冲击实验,同时利用有限元软件ANSYS对激光搭接冲击过程进行了模拟,残余应力场的数值模拟结果与实验结果取得较好的一致。结果表明,在不考虑各冲击参量之间交互作用的前提下,搭接区表面残余压应力值和残余压应力场深度随搭接率增加而增加,但达到一定阈值后,残压应力场深度会下降;搭接区表面残余压应力值和残余应力场深度会随着功率密度的上升而增加;在脉宽小于一定阈值条件下,搭接区表面残余压应力随脉宽增加而增加,超过阀值之后,表面残余压应力减小,但残余压应力层深度一直是随着脉宽的增加而增加。     

激光喷丸范围对小孔构件残余应力场的影响

为了研究不同激光喷丸范围下7050-T7451铝合金小孔构件残余应力场的变化规律,采用ABAQUS有限元分析软件对激光喷丸过程进行理论分析和数值仿真,分析了材料激光喷丸后表面及孔壁的残余应力分布。结果表明,随着喷丸范围的增大,表面残余压应力范围增大,冲击区域外围的残余拉应力由52MPa变为344MPa;孔壁的应力分布随喷丸范围的增加而变差,中间最差应力由压应力38MPa变为拉应力49MPa;在一定的喷丸范围内,激光喷丸范围的增加使表面压应力范围变大而使孔壁应力分布变差。对于激光喷丸强化小孔构件,应控制喷丸范围,兼顾板料表面及小孔孔壁的残余应力分布,以提高小孔构件的抗疲劳性能。     

逐层剥离对激光诱导残余应力场影响的数值模拟

为评价激光冲击强化效果,通常采用X射线衍射法(XRD)测定工件的残余应力分布。由于X射线穿透深度一般在微米数量级,为获得工件深度方向上的残余应力分布规律,常采用电解抛光的方法逐层剥离工件表面材料。逐层剥离过程改变了工件表面的边界条件,使得残余应力分布发生了改变,导致XRD实验测得的残余应力与未剥离前不同。本文采用有限元数值模拟方法研究了剥离过程对激光诱导残余应力场分布的影响。结果表明:在残余压应力区域,剥离材料后内部的残余压应力较剥离前增大,残余压应力增加程度随着剥离深度的增大而增加;剥离表面较浅一层材料时,整体残余应力场的分布变化较小,且有利于消除激光冲击强化产生的"残余应力洞"。该研究对基于XRD实验测定的残余应力修正具有一定的指导意义。     

平顶光束激光冲击2024铝合金诱导残余应力场的模拟与实验

对平顶光束激光冲击2024铝合金诱导的残余应力情况进行了有限元模拟与实验研究。改进了平顶光束诱导冲击波的压力分布模型,并将该模型用于残余应力场的有限元模拟。在实验室环境下获得了适合用于激光冲击的高质量平顶光束,并使用该光束进行激光冲击2024铝合金的实验,实验结果和模拟结果基本一致。研究发现平顶光束冲击2024铝合金有如下特点:存在一个阈值,当激光冲击波压力小于该阈值时,影响区内残余应力场近似均匀分布;当冲击波压力大于该阈值时会引起"残余应力洞",但该"残余应力洞"内部近似均匀分布。在深度方向上,塑性影响深度和最大残余应力深度随激光冲击波压力的增加而增加。     

激光冲击调整5B05铝合金残余应力状态的模拟仿真

开展了激光冲击波调整表面残余应力(主应力)状态的模拟仿真与实验研究。以ABAQUS为平台,建立了激光冲击5B05铝合金的有限元分析模型,研究了激光冲击参数对5B05铝合金激光冲击处理残余应力场的影响。模拟结果表明:随着冲击次数的增加,表层残余压应力逐渐增大,当冲击次数为3次时,增加并不明显,说明表面峰值残余压应力趋于饱和;在冲击压力一定的条件下,表面残余应力随光斑直径增大而增大,半径增加至一定程度后表面峰值残余压应力增幅会达到最小,基本保持不变。通过实验与模拟结果对比发现,尽管实验值与模拟结果存在一定的误差,但总体趋势一致,说明建立有限元模拟模型结构有效可行。     

激光冲击强化残余应力场的数值仿真分析

有限元分析(FEM)是预测激光冲击强化处理(LSP)后材料的残余应力场、合理优化冲击参数非常有效的方法。通过对材料冲击响应过程的分析,建立了激光冲击强化处理的有限元分析模型,实现了激光冲击强化处理残余应力场的数值仿真。根据显式分析得到的材料内部各种能量变化过程,结合应力波理论,验证显式分析过程的正确性,提出显式分析求解时间的选择方法;分析了单次和多次冲击下材料内部的残余应力场分布,分析结果与实验结果非常接近。数值分析结果表明,表面残余应力在冲击区域内分布比较均匀,表层的残余应力梯度较小;多次重复冲击后,材料的残余压应力明显增加,残余压应力影响深度也显著加深;随着冲击次数的增加,材料的残余应力场趋于饱和。     

铜箔激光冲击微成形微观组织与残余应力研究

为了研究激光成形方式对成形轮廓和微观组织的影响,采用厚度为40μm和80μm的T2铜箔进行激光冲击微胀形和微拉深实验。同时使用ABAQUS有限元仿真对实验进行模拟,研究不同变形方式下箔材位移和残余应力场。结果表明,激光冲击微胀形后铜箔变形区域出现颈缩,激光作用区域内变形机制主要为位错滑移、变形扭曲晶粒和机械孪晶;箔材上表面（激光冲击表面）为残余拉应力,最大值约为372.3MPa,箔材下表面（背向激光冲击面）为残余压应力,最大值约为-218.7MPa;而对于微拉深,箔材成形轮廓过渡圆滑,厚度分布均匀,光斑作用区域内出现大量位错露头和一些机械孪晶,箔材上表面为残余压应力,最大值约为-365.6MPa,箔材下表面为残余拉应力,最大值约为203MPa。这一结果对激光冲击箔材成形控制是有帮助的。     

激光参数对圆杆件残余应力场影响的数值模拟

利用三维有限元技术模拟预测激光单次冲击圆杆件诱导的残余应力场,并与实验结果比较,残余应力场的预测值与实验测量值一致性较好。探讨了激光功率密度、冲击角度以及冲击次数等激光参数对残余应力场的影响。结果表明,在激光冲击圆杆件过程中,激光功率密度越大,光斑中心区域的残余压应力越小,残余应力状态最终由残余压应力变为残余拉应力;光斑中心区域的残余压应力随冲击角度的增大而增大;冲击次数在一定阈值范围内时,光斑中心的残余压应力增幅显著,之后逐渐趋于饱和。塑性强化层深度随激光功率密度和冲击次数的增加而增大,激光冲击角度对塑性强化层深度几乎没有影响。     

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。     

AZ91镁合金激光冲击强化力学性能研究

为了研究激光冲击强化对镁合金力学性能的影响以及不同激光冲击模式的效果,采用双束无叠加钕玻璃脉冲激光对AZ91镁合金进行冲击处理;冲击后在试样表面得到椭圆冲击斑,对光斑形貌和形状进行了观测分析,并与传统单点叠加冲击模式的结果对比。采用Triboindenter纳米压痕仪测试了冲击和未冲击区域的纳米硬度,得到测量值分别为1.59GPa和1.47GPa;采用X2350A型X射线应力衍射仪测试冲击区域残余应力分布情况,并用有限元软件ABAQUS对残余应力进行了数值模拟,得到实验测量和模拟结果在加载区域都有高达-120MPa左右的残余应力分布,且模拟结果与实验结果一致。结果表明,采用双束无叠加冲击模式可以提高冲击效率;激光冲击处理提高了镁合金的纳米硬度和力学性能,增强了其抗外物冲击损伤和抗疲劳性能。     

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。     

激光冲击圆杆曲面诱导的残余应力数值模拟

采用有限元分析方法对激光冲击2024铝合金圆杆圆周曲面诱导的动态应力波及其残余应力进行了数值模拟。首先,在ABAQUS/Explicit显式分析模块中模拟了峰值压力为2 GPa激光冲击波在16 mm杆中诱导的应力波的传播过程。随后,在ABAQUS/Standard隐式分析模块中进一步计算在圆杆曲面上诱导的残余应力。在此基础上,分析了圆杆直径的大小对应力波峰值衰减和残余应力分布的影响,并进行了相关的试验验证。研究结果表明,峰值压力为2 GPa冲击波在16 mm的杆中诱导的弹塑性的应力波,应力波的峰值压力在400 ns时间内迅速衰减至250 MPa。冲击后,在距光斑中心小于0.5 mm冲击区域内分布不均匀残余应力,在光斑中心处形成了残余拉应力,轴向S11值为42 MPa;在半径为0.5~1.5 mm的冲击区域分布着残余压应力,S11值大约在250 MPa。应力波在传播过程中,其压力峰值衰减的速率随着杆径的增大而减慢,表面形成的残余压应力均随杆径的增大而增加。     

TC17钛合金单双面激光冲击残余应力分布研究

为了探明双向钛合金TC17在单双面激光冲击强化下残余应力分布特征，采用数值分析方法研究了单双面冲击下残余应力分布规律。结果表明，单面冲击稳定后会在冲击对面产生拉应力，在冲击表面产生压应力，双面同时冲击时一部分残余压应力抵消了拉应力，同时又由于应力波的叠加和削弱作用，导致残余应力水平下降；单面激光冲击强化获得的x方向和y方向的最大残余应力分别为336.709MPa和337.011MPa，而双面同时激光冲击强化在两个方向均为326.401MPa；单面冲击会由于拉应力的产生而不利于抑制裂纹；双面同时冲击时试件两面的残余应力分布基本一致，双面顺序冲击时先冲击面残余应力要高于后冲击面；有限大试件需考虑冲击波的横向传播对残余应力的影响。该结果对单双面激光冲击强化的残余应力分布规律研究具有一定的指导意义。     

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。     

AM50镁合金激光冲击强化实验研究

为了研究激光冲击强化对镁合金性能的影响,采用钕玻璃脉冲激光(波长1054 nm,脉冲宽度23 ns)对AM50镁合金试样表面进行冲击强化处理,并对其表面形貌、微观组织、显微硬度、残余应力进行实验测试与分析。结果表明,在激光功率密度为3.1 GW/cm2的强脉冲激光作用下,试样表面留下光亮致密的微凹坑,凹坑深约27μm;表层材料发生高应变速率的塑性变形,材料内产生大量位错与孪晶,强化层深度约0.8 mm;冲击区的显微硬度明显增加,表层材料的显微硬度比基体约提高58%;冲击区表面存在残余压应力,数值高达-146 MPa。实验结果表明,激光冲击镁合金的强化效果明显。     

激光喷丸强化变形镁合金的疲劳寿命数值分析

以ABAQUS和MSC.fatigue软件为平台, 建立了激光喷丸强化前后试样疲劳寿命及薄弱位置预测的有限元分析模型。为研究材料强度对激光喷丸强化效果的影响, 以AZ31B和ZK60两种不同强度变形镁合金为对象, 对激光喷丸强化后的残余应力和塑性变形进行了分析, 并预测了喷丸前后的疲劳寿命, 两种材料的疲劳寿命增益分别为112.04%和181.2%。结果表明, 高强度材料激光喷丸强化效果优于低强度材料。