铝合金小孔件单双面激光冲击强化效果研究

为了研究单双面激光冲击对7050-T7451铝合金小孔件的影响,采用ABAQUS有限元软件分析了单双面强化的残余应力分布,并对比分析了残余应力曲线和单双面强化断口间的对应关系。结果表明,双面强化的残余压应力比单面强化大120MPa,且正反面应力分布更合理;单面强化后疲劳源群位置距强化面达2.54mm,偏离了尺寸中心,而双面强化的疲劳源群大致位于尺寸中心;经单双面激光冲击强化后,试样的疲劳增益分别提高了53.3%和156.2%。该研究对单双面激光冲击强化的参量选择具有一定的指导意义。     

激光冲击强化对钛合金棒件疲劳寿命的影响

为了研究激光冲击对TC4-DT钛合金圆棒残余应力分布及疲劳特性的影响,采用ABAQUS有限元软件分析了不同冲击载荷下圆棒最小直径截面内残余应力的分布,并对试样先后进行了激光冲击强化试验和拉-拉疲劳试验,最后对疲劳断口形貌进行了对比分析。结果表明,圆棒试样会在表面及近表面形成残余压应力层,在内部及中心区域产生拉应力,且表面残余压应力和内部拉应力皆随冲击载荷的增大而增大;内部拉应力区域面积远大于表面压应力层面积,致使疲劳裂纹扩展加速,从而导致疲劳寿命降低,对圆棒试件的拉-拉疲劳性能产生不利影响;圆棒试样经激光冲击强化后疲劳裂纹源向内部转移,且位于内部最大拉应力区域。该研究对轴类零件经激光冲击强化后的应用条件具有一定的参考价值。     

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。     

激光冲击范围对小孔构件疲劳性能的影响

激光冲击强化能够有效地提高孔结构零件的疲劳寿命。试验中采用较大的冲击区域范围对试样进行激光冲击强化后,发现试样的疲劳寿命降低甚至出现负增益。为此采用有限元分析和试验的方法,研究单面激光冲击范围对铝合金小孔件残余应力场以及疲劳寿命的影响。研究结果表明:激光冲击范围的增大,导致试样沿孔壁方向的应力分布变差,并且残余压应力影响层的深度降低;同时对疲劳拉伸后试样的断口观察发现,随着冲击范围的增大,疲劳裂纹源的位置也随之发生内移。因此对于小孔构件的激光冲击强化,应严格控制激光冲击范围以提高小孔构件的抗疲劳性能。     

单面激光冲击孔壁残余应力与疲劳失效

孔结构往往会造成零件上的应力集中,降低零件的疲劳寿命,激光冲击强化能够有效地缓解这一问题。在试验研究中发现采用高峰值压力对试件进行激光冲击强化后,试件的疲劳寿命反而降低,同时断口上的疲劳源也随之发生内移,这很可能是因为高峰值压力在孔壁内产生较大的残余拉应力而降低了小孔件的疲劳寿命。为此采用ABAQUS软件,针对不同峰值压力、载荷脉宽对7050-T7451小孔件孔壁上应力分布的影响进行研究。研究结果表明:峰值压力的提高在增大压应力层深度的同时也会增大带孔件孔壁上的拉应力,同时残余拉应力所在位置也随之发生内移;当峰值压力不同时,载荷脉宽对孔壁上应力分布的影响也会随之改变。     

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。     

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。     

双面激光同时冲击AM50镁合金板料的厚度分析

在双面激光同时冲击金属薄板过程中,板料厚度是影响其冲击强化效果的重要因素。利用ABAQUS软件对双面激光同时冲击不同厚度的AM50镁合金板料进行模拟,系统研究了板料厚度对双面激光同时冲击强化效果的影响机理,对比分析了不同模型沿表面径向和轴向的残余应力分布。结果表明,在激光光斑直径、脉冲宽度、峰值压力不变的情况下,随着板料厚度增大,模型内部的残余压应力分布渐趋均匀和有规律,残余压应力影响深度逐渐变深,当板料厚度达到某一阈值后,两者都达到饱和。在激光峰值压力1600MPa、光斑半径3mm和压力脉冲宽度57ns工艺参数下,双面激光同时冲击AM50镁合金薄板的理想厚度为4mm及以上。     

不同冲击次数下激光冲击对TC11钛合金的影响研究

利用激光冲击强化技术对TC11钛合金进行处理,通过电子透射显微镜、残余应力测试仪和显微硬度计分别分析了TC11钛合金激光冲击前后微观组织、残余应力和显微硬度的影响.实验结果表明:表面微观组织在不同冲击次数下呈现出位错密度-位错胞-纳米晶的细化过程,且纳米晶随着冲击次数增加而变得更加细小、均匀;材料表面产生了-540 MPa以上的残余压应力,且显微硬度也得到显著提高,幅度达到20％左右,不同次数下硬度影响深度由600 μm增至1200 μm.     

TC4钛合金激光冲击强化塑性变形流动规律研究

以TC4钛合金为研究对象,采用数值模拟与试验相结合的方式,研究了激光冲击TC4钛合金表面金属塑性变形和体积流动规律,分析了塑性变形驱动金属表层体积流动、应力重构、晶粒细化的机制。研究结果表明：激光冲击塑性变形使得光斑中心区域材料向着边缘及材料内部流动。整体塑性变形体积数值计算结果显示：当功率密度为1.58、2.25、3.02 GW/cm²时,表面凹坑体积大致等于内部正向变形体积与表面环状凸起体积之和,在无相变体积改变的情况下,试件整体塑性变形符合体积不变定律;不同激光功率密度作用下的表面残余应力分布与表面塑性变形分布规律大致相同,存在对应关系;表面凹坑变形、环状凸起变形、内部凸起变形各区域粒径尺寸分别为99、108、136 nm,晶粒细化程度在表面凹坑区、环状凸起变形区域、内部正向变形区域依次递减。此外,光斑边缘出现的微凸起变形在受到搭接激光冲击作用后,再次发生塑性变形,微凸起变形在冲击载荷方向被压回,向着材料内部流动;凹坑表面各光斑边缘处依旧存在较小的微凸起变形。     

Fe-Ni恒弹合金激光冲击力学性能异化现象研究

为了研究激光冲击金属材料后,光斑中心区域材料力学性能异化现象,采用钕玻璃脉冲激光器产生的高能脉冲激光冲击强化型Fe-Ni恒弹合金(Ni42CrTiAl)材料。冲击后采用X射线应力仪对恒弹合金试样冲击区域表面进行了X射线衍射分析,测试了冲击区域残余应力分布情况。结果表明,在试样冲击区域产生了很高的残余压应力,且在光斑中心区域,残余应力值要略小于中心周围区域,出现了力学性能反弹现象。采用有限元模拟软件对冲击试验进行有限元模拟,进一步研究冲击诱导的残余应力分布情况;得到冲击区域有很高的残余压应力分布,且光斑中心区域的残余应力值小于其周围区域,模拟结果与测量结果一致。从冲击波运动、反射与逆向作用角度,探索了冲击区域中心出现的材料力学性能反弹现象的形成机理。这一结果对优化激光冲击强化过程和激光参量的选择是有帮助的。     

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.     

碳钢的激光冲击强化研究

利用高功率密度(GW/cm2)短脉冲(ns)激光对45碳钢进行了激光冲击处理,观察了激光冲击处理后45碳钢显微组织和结构的变化,并用扫描电镜对疲劳断口形貌进行了分析。试验结果表明:激光冲击强化能有效地阻止疲劳裂纹的萌生和扩展,45碳钢的疲劳寿命得到较大提高。     

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。     

激光冲击强化残余应力的数值模拟研究

为了获得激光冲击强化诱导的残余应力场,采用数值模拟的方法,建立了单次激光冲击强化35CD4合金钢厚板2维轴对称有限元模型,对激光冲击过程中材料内部的能量变化、表面动态应力进行了分析,验证了显式动态求解时间选取的合理性,并讨论了模型网格单元尺寸、冲击压力空间分布模型选取对残余应力模拟结果的影响。结果表明,为了得到收敛的模拟结果,选用的网格单元尺寸应为0.03mm左右。单次圆斑激光冲击的残余应力计算结果与已知的实验测量结果吻合得较好。