表面残余应力影响因素和调控技术的研究进展

残余应力的存在在一定程度上影响了工件的疲劳寿命和抗腐蚀能力等,调控工件内部残余应力的分布在工程应用上具有很高的研究价值,合理调控应力能够有效抵抗工件表面的裂纹萌生,提高工件表面整体完整性。具体阐述了残余应力的概念和分类;分别从铣削、磨削和焊接角度归纳了传统加工过程中残余应力的产生机理及其对材料性能的影响;对相关残余应力检测技术的原理和优缺点进行论述;概述了残余应力有限元计算方法;综述了各种加工方法下,工艺参数对工件表面残余应力产生的影响;针对优化工艺参数调控残余应力无法满足工件的整体性能需求,归纳了时效法调控残余应力的机理;综述了能够进行应力调控的表面强化处理技术,包括机械作用下的孔挤压强化、超声振动磨削、喷丸工艺、超声滚压和激光冲击、能量外部输入下的高能声束调控技术、高能量密度脉冲电流和激光辐照应力调控技术。此外,针对单一表面强化处理技术调控残余应力的不足,概述了超声挤压-激光冲压、激光冲击-超声滚压以及激光冲击-喷丸等相关的复合表面强化工艺。最后,指出了表面强化处理技术处理复杂曲面,以及复合表面强化工艺是未来表面完整性加工的发展方向。     

方形光斑激光冲击690高强钢表面残余应力分布模拟

为研究方形光斑激光冲击690高强钢表面残余应力的分布,在ANSYS/LSDYNA平台进行了二元光学衍射方形光斑激光冲击690高强钢薄板的残余应力分布模拟,并对其不同光斑搭接率处理工艺研究,得出了几种工艺下激光冲击690高强钢表面残余应力分布的云图和二元衍射光斑转换前后的残余应力分布曲线。结果表明,采用二元衍射光斑工艺进行激光冲击对于消除残余应力洞有较好效果;在33%、50%、66%这3种典型的搭接率下,二元光学衍射光斑周围区域残余应力分布比较均匀,且不同搭接率下的最大残余压应力和光斑中心最小残余压应力均相互接近,所以二元衍射光斑激光冲击690高强钢无需搭接处理。     

激光冲击与喷丸复合强化TC17钛合金表层残余应力研究

目的 分析激光冲击与机械喷丸复合强化钛合金表层残余应力场及其在疲劳载荷下的稳定性。方法 采用薄壁叶片强化参数先后对TC17钛合金表面进行激光冲击强化和喷丸强化,利用X射线衍射法分析两种工艺复合强化表层的残余应力分布,并分别在25、400 ℃拉-拉疲劳加载条件下分析复合强化表层残余应力的稳定性。结果 激光冲击与喷丸复合强化表面残余应力值为-600 ~ -800 MPa,残余压应力幅值沿深度不断递减,压应力层深度为0.7~0.8 mm。表面至0.1 mm深度范围内的残余应力分布梯度较大,其分布特征主要受控于喷丸工艺,而距表面0.1 mm以下的残余应力分布梯度较小,其分布特征受控于激光冲击强化工艺。结论 激光冲击和喷丸强化顺序对最表层残余应力的均匀性有一定影响,对最表层以下的残余应力分布影响较小。复合强化表面残余应力在室温疲劳加载后具有较好的稳定性,在400 ℃疲劳加载下发生一定量松弛后趋于稳定。     

激光冲击对热作模具钢残余应力场的影响规律研究

研究了激光脉冲能量、激光光斑直径等工艺参数对激光冲击H13热作模具钢表面及深度方向的残余应力大小和分布的影响,系统研究了激光冲击对H13热作模具钢的表面强化机理。结果表明,随激光脉冲能量和光斑直径的增加,沿X轴方向的表面残余压应力增加,但增加幅值逐渐减小,最大残余压应力可达700 MPa;深度方向的残余压应力也会增加,增幅也是逐渐变小。研究发现,激光冲击H13热作模具钢对沿X轴方向表面残余应力的影响范围与激光脉冲能量和激光光斑尺寸等参数无关。数值分析结果和实际结果吻合度很好,为H13热作模具钢性能的提高和改善提供了新方法。     

激光冲击处理对奥氏体不锈钢薄板焊接接头表面残余应力的影响

利用激光冲击对AISI202奥氏体不锈钢薄板焊接接头进行了表面强化处理,采用X射线衍射法测定其激光冲击处理后的表面残余应力,分析了单次冲击和搭接冲击两种工艺下焊接接头表面残余应力场分布。结果表明,经搭接激光冲击处理后,AISI202焊接接头显微硬度提高了约50%,纵向残余压应力σx达到395 MPa,横向残余压应力σy达到456 MPa,显著增强表面残余压应力,并使得残余压应力趋向均匀。     

7075高强铝合金构件缺陷对激光冲击强化残余应力的影响

采用激光冲击强化工艺处理7075高强铝合金试件,借助无损应力测试方法分析预置缺陷和后置缺陷对冲击残余应力场分布的影响。结果表明,冲击强化可在无缺陷试件表面引入"凹"字形分布的残余应力场,冲击正、背面表现形式一致但程度不同。对于含微小缺陷的试件,主要在材料突发不连续区域呈现较大的残余应力分布状态变化。预置缺陷在缺陷边缘造成残余应力松弛,且使残余拉应力层外移,而后置缺陷在缺陷边缘一定层深内可进一步强化压应力水平。     

激光冲击强化对AISI202不锈钢焊接接头残余应力的影响

采用两种冲击方式对AISI202不锈钢焊接接头表面进行激光冲击强化处理,利用X射线应力仪测试了激光冲击强化处理后焊接接头的残余应力,研究了单面和双面激光冲击对残余应力分布的影响,分析了残余压应力的形成机理。结果表明,双面激光冲击强化处理效果明显优于单面冲击方式,双面冲击方式能够使试样正反面都获得很大的残余压应力,并且反面的残余压应力水平高于正面,同时使得正反两面残余压应力分布趋于均匀。     

激光冲击强化改善2A12高强铝合金疲劳寿命的试验研究

采用激光冲击强化工艺对2A12铝合金试件进行表面处理,借助先进的测试方法分析试件表层显微硬度、残余应力与表面变形量的分布特点,并研究低应力下的高周疲劳寿命改善效果。结果表明,激光冲击强化可在试件表层引入较浅的显微硬度与残余应力影响层及较为显著的表面变形量,随激光能量增大则其影响程度增加且呈现出中心均匀边缘非均匀的特点。表层残余应力场是改善试件疲劳寿命的最主要因素。     

激光冲击工艺对钛合金疲劳寿命的影响

研究激光加工工艺对Ti6A14V航空钛合金叶片表面粗糙度和残余应力的影响，并分析影响表面质量的激光加工工艺参数；探讨表面粗糙度和表面残余应力对叶片疲劳寿命的影响。结果表明，采用激光冲击航空叶片，叶片表面残余压应力大大增强，从而使得其抗疲劳破坏能力增强，而表面粗糙度减小；在激光脉冲功率允许的范围内，选择合适的冲击参数能有效降低叶片表面粗糙度，而表面残余压应力对疲劳寿命的影响起主导作用。     

TC4钛合金激光冲击强化与喷丸强化的残余应力模拟分析

目的 通过对激光冲击强化和喷丸强化后的试样进行残余应力测试分析,得出两种工艺在残余应力形成机理、残余应力层深以及残余应力均匀性等方面的差异.方法 一方面采用有限元方法 模拟激光冲击强化及喷丸强化的过程,将材料在两种强化冲击下的响应进行对比,研究残余应力的形成过程,并对残余应力场的分布规律进行总结分析.另一方面,分别用两种强化技术处理TC4钛合金的表面,并用剥层X射线衍射实验测试材料表层的残余应力.最后将实验结果 与测试结果 进行对比,验证有限元模拟的有效性.结果 当这两种强化效果产生-500 MPa的表面平均残余应力时,激光冲击强化后的TC4钛合金表层残余压应力层深度可达0.6 mm以上,而喷丸强化后的TC4钛合金表层残余压应力层深度只有0.15 mm左右.结论 由于诱发材料塑性变形的机制不同,激光冲击强化往往能获得比喷丸强化更好的残余压应力深度,同时激光冲击强化的材料的表面残余应力分布也比喷丸强化的材料更均匀.     

2A12铝合金激光冲击强化残余应力松弛特性

对2A12铝合金试件引入激光冲击强化工艺,借助无损应力测试与三坐标测试技术分析试件表面残余应力场与表面形变量的分布特点,并研究应力循环下的残余应力松弛特性。结果表明,激光能量越大,则引入的残余应力水平越高、表面形变量越大,影响程度呈现出中心大边缘小的特点。应力循环载荷下该残余应力易发生松弛,尤其在第一次循环周期内应力松弛量超过一半,且对应力幅、应力比敏感。     

激光冲击690高强钢表面残余应力工艺优化模拟

为研究激光冲击对690高强钢表面残余应力尤其是"残余应力洞"的影响,在ANSYS/LSDYNA平台对690高强钢薄板经激光冲击后的残余应力进行模拟,优化光斑搭接率及激光功率密度。结果表明:采用搭接处理工艺,功率密度为1.98 GW/cm~2,在搭接率为33%、50%、66%时,激光冲击690高强钢表面最大残余压应力和光斑中心最小残余应力差值分别为275.6、241.6、238.3 MPa;搭接率的增加抑制了"残余应力洞";功率密度为2.77 GW/cm~2时,激光冲击表面残余应力优化结果最佳,达到211.0 MPa。     

基于Python的Abaqus二次开发在高温合金GH3039激光冲击强化中的应用

目的 提高高温合金GH3039激光冲击强化仿真建模的效率。方法 利用Python脚本语言对Abaqus进行二次开发,利用插件对高温合金GH3039激光冲击强化过程进行仿真分析。采用侧倾固定Ψ法,通过实验测量激光冲击强化后的残余应力,并对仿真结果进行验证,分析不同激光工艺参数作用下高温合金GH3039表面和深度方向残余应力的分布规律。结果 仿真插件界面简洁,操作性强,结果准确。在其他参数不变的情况下,残余压应力受到光斑尺寸的影响较大。相较于光斑直径为4、2 mm,在光斑直径为6 mm时,其中心位置残余压应力分别提高了4.3%、53%。随着光斑尺寸的增大,表面残余压应力增大,且变化梯度减小,深度方向的残余压应力增大。随着激光能量的增加,表面残余压应力增大,且变化梯度增大,残余压应力峰值位于中心区域附近,在激光能量为6、7、8 J时,残余压应力层的平均厚度分别为0.55、0.67、0.82 mm,深度方向残余压应力层增厚。随着冲击次数的增加,冲击区域表面残余压应力平均值高于单次冲击,且波动梯度增大,冲击1、2、3次后残余压应力层的平均厚度分别为0.55、0.71、0.85 mm,深度方向残余压应力层深度增大。结论 利用Python脚本语言对ABAQUS进行二次开发,提高了仿真建模的效率,可为快速预测不同激光工艺参数下高温合金GH3039残余应力的分布规律提供参考。     

7075铝合金不同表面强化工艺的对比试验研究

对7075高强铝合金试样进行传统的机械喷丸强化与新的激光冲击强化工艺试验,对比它们产生的表面粗糙度、表层显微硬度与残余应力场的分布特性与演变规律,分析喷丸强化工艺对试样在低应力幅下的疲劳寿命改善作用。结果表明,表层残余压应力场分布合理性及其应力松弛趋势是提高试样疲劳寿命的主要因素,机械喷丸同时引起可观的应力集中,需要制定合理的组合式喷丸工艺,以缩小与激光冲击强化间的差距。激光冲击强化可显著改善疲劳性能的最主要因素是具有高的表面残余压应力值,以及持续保持应力影响深度的能力。而机械喷丸主要是高的残余压应力峰值及其向材料内层转移的能力。     

激光喷丸参数对7075铝合金残余应力分布影响规律的数值分析

为了研究不同激光喷丸参数对残余应力分布的影响规律,较快获取期望的残余应力分布,通过利用有限元软件ABAQUS对激光喷丸过程进行数值模拟,完成了7075航空铝合金靶材在不同冲击波峰值压力、冲击次数、光斑大小及搭接率等工艺参数下的数值模拟。模拟结果表明:随着峰值压力的增加,材料表面残余压应力也增加,当峰值压力增大到一定值时,材料表面残余压应力达到最大;当峰值压力一定时,材料表面及内部残余压应力随光斑大小及冲击次数的增加而增加;随着光斑搭接率的增加,材料表面残余压应力增大,且随着搭接率的增加,表面残余压应力的波动逐渐减小。     

激光增材制造残余应力研究现状

首先介绍了激光增材制造中残余应力的产生和危害,指出高的温度梯度和不均匀相变是高残余应力的原因,列举了残余应力造成的热裂纹、翘曲和疲劳失效等危害。然后,从残余应力的试验测定、数值模拟以及调控消减三个方面总结了相关研究现状。残余应力试验测定部分包括表面和内部残余应力的测试,方法有X射线衍射法、中子衍射法和压痕法等。数值模拟部分主要评述了工艺参数和扫描策略对应力场的影响。残余应力调控指的是在成形过程中,通过工艺控制减少应力的产生,主要介绍了采用热处理、超声冲击降低已成形构件残余应力的相关研究。最后提出应开展微观残余应力到大型构件宏观残余应力的多尺度表征,表面残余应力和内部残余应力相结合的多手段定量测定等专题研究,为开展残余应力与工件失效的关联性研究打下基础。     

激光冲击对WC-Co硬质合金微观结构和残余应力的影响

目的提高硬质合金表面残余压应力和显微硬度,为后续研究激光冲击对硬质合金刀具耐磨损性能的影响提供指导依据。方法采用脉冲波长为1064 nm、脉冲宽度为15 ns的Nd:YAG激光器,对WC-Co硬质合金表面进行冲击强化处理。通过数字显微硬度计、X-350型残余应力测试仪,分别评价激光冲击前后硬质合金硬度和残余应力的分布,并通过扫描电镜对其表面形貌、截面微观组织进行分析。结果激光能量为5 J时,表面存在大量孔洞,WC晶粒未发生变化。激光能量高于10 J时,孔洞和凹陷区基本消失且表面WC晶粒细化。经激光冲击后,表面形成10~23?m的致密层,在塑性变形区γ相均匀分布。与未冲击表面相比,冲击后的显微硬度和残余压应力分别提高34.2%、77%,且平均摩擦系数由0.5033降低到0.4214。结论激光冲击改善了WC-Co硬质合金微观组织结构和残余应力状态,提高了硬度,有利于提高WC-Co硬质合金的耐磨性。     

激光冲击7050铝合金表面“残余应力洞”的模拟

采用显式动力学分析软件ANSYS/LS-DYNA对激光冲击加载过程进行模拟,通过调整激光冲击参数,探究其对7050铝合金表面形成"残余应力洞"的影响;将模拟结果与X射线应力分析仪测得的试验结果进行对比,并分析两者的误差来源。结果表明,激光功率密度、脉宽的增加会加剧"残余应力洞"现象,光斑直径的增加会抑制"残余应力洞"现象;当激光功率密度为1.98 GW/cm~2时,模拟与试验有较好的一致性;当激光功率密度提高至2.77 GW/cm~2时,激光能量的增强加剧了冲击区域近表面的塑性变形,引发了模拟与试验的误差;当激光功率密度进一步提高至4.07 GW/cm~2时,冲击区域近表面会形成亚晶粒,甚至晶粒细化形成纳米晶,使冲击区域表面残余应力均匀分布。     

7075铝合金三种表面强化工艺对比试验

采用机械喷丸、激光冲击强化与深滚压三种表面强化工艺处理7075高强铝合金试样,在表面残余应力水平相当的情况下分析表面粗糙度、表层显微硬度与表层残余应力场的分布特性及对疲劳性能的影响方式与程度。结果表明,表面强化工艺引入的表层残余压应力场的分布合理性及其抵抗外部应力松弛的能力是改善试样疲劳寿命的最关键因素,机械喷丸与激光冲击强化处理的应力影响层浅且表面粗糙度导致的应力集中程度较大,对低周大应力疲劳性能的改善作用较为有限,而深滚压处理的应力场影响层深且具有高的稳定性,可同时改善试样的高周与低周疲劳性能。     

钛合金激光冲击强化技术的研究与应用

激光冲击强化是一种新型表面强化技术,能够在材料表层产生残余压应力,提高结构件的疲劳强度、表面硬度,延长其疲劳寿命,在钛合金结构件中应用前景广阔。介绍了激光冲击强化的基本原理和特点,并结合国外研究现状,着重分析了我国钛合金激光冲击强化技术在工艺基础研究以及提高疲劳强度、改善焊缝应力状态、表面纳米化、强化孔结构、修复及再制造受损件等方面的研究现状,并指出了该技术在钛合金工程化应用方面需解决的关键问题。