应力水平下的激光冲击小孔构件疲劳扩展研究

激光冲击强化可以降低小孔构件裂纹扩展速率,提高疲劳寿命。疲劳扩展是疲劳寿命的主要组成部分,不同的应力水平会影响疲劳扩展,其对未强化试样和强化试样的影响是不同的。为此通过激光冲击强化TC4-DT钛合金双联小孔试样,然后进行疲劳试验,研究应力水平下的激光冲击小孔构件疲劳扩展。研究结果表明：应力水平提高会导致疲劳条带宽度增大,同时强化端同比增大尺寸大于未强化端,未强化端(I0)和强化端疲劳条带宽度(I1)差值(I0-I1)与未冲击端疲劳条带宽度(I0)的比值也有降低的趋势。因此,增大应力水平会增大疲劳条带宽度,应力水平的变化对激光冲击强化后试样的疲劳扩展影响更大,应力水平增大降低激光冲击强化疲劳寿命增益;在激光冲击强化参数一定时,应该规定适用的应力水平范围。     

应力水平对激光冲击强化圆角疲劳寿命的影响

为了研究不同应力水平（疲劳试验过程中应力最大值）下,激光冲击强化对圆角结构疲劳寿命的影响,对半径为3mm的TC4-DT钛合金圆角试样进行了激光冲击试验,接着对试样进行拉-拉疲劳试验,在疲劳试验过程中采用的两种应力水平分别为385MPa和423MPa,应力比r=0.1,并通过扫描电子显微镜对疲劳断口进行分析。结果表明,激光冲击强化后,疲劳源从圆角表面向内部移动,且疲劳辉纹宽度减小,圆角结构疲劳寿命得到提高;当应力水平从385MPa增大至423MPa时,圆角疲劳寿命增益由246.2%减小至111.8%;激光冲击强化后,圆角结构表面形成一定深度的参与压应力,疲劳性能得到提高;但随着应力水平增大,激光冲击强化对圆角结构疲劳寿命的增益减小。该结果为针对薄弱区域强化而抑制疲劳裂纹萌生的研究具有指导意义。     

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。     

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。