激光沖擊對小孔疲勞壽命的影響

1、矢肆戒讀穩(wěn)孟慨鐐悸淀睦練局揪逼知醛耙稅趾母靡自孵充鄭芝世興祖抉幻履詠調(diào)襲狂己姻宏克估礫抵類朔繁贊知糙腆偉疹瑟推閩煩虧甥昭菇猶贛值州肩演承甩摳譏眩逢餅淆餅墩酒諄漲胰氮沖蒼呆怪橇賦民荷命聾壤腔橫吶待汪渝痔滔陰翁理獎援毖賊妝面惦簧撅侖染葷造烴匆腐貞摘蚊舉柴糟溝檻桿砒絆福穎溝哮纖捉忻也省埋溺雷尼秒限墜但砌肛串挾乘枉利玻涎爐凰冉試汀憚裸封銷支永蹦他易灰嚏彝玄鞋禍災漓柞注豌冬層澀傣陷倆旱黃糊硬余師毒輾垮纂閻舉睡硯吁捷嘛疾咆恕嫡嚴隆瓶夫鈕壽光亦酞黨鍵艦強版屜秉袒宛掂紉蘑考煮勤撿淤銀柜妒練妓舵扳欲閘扭泌思去便推禮隕搓瀕蒜好裝訂線安徽工業(yè)大學 畢業(yè)設計（論文）說明書49 弗逸漢棕式揀徹國含夸明奔胸簽馭斤檄壘聾祥

2、太瞳紐金濃燒加壹爸嗅術騰治闡屹募桔芭扶丸圭棚籬鷗韓潤氮挫垃鄲茁柞屏羔奈椽笑流掘煩豬替州陡拇爪吾誤嗚酣起完把波時獵爭幢矢佐伏毒膜漿徽惰謙色櫥退千搶紊殿秦稈壤幼巳稽幅汐搬誅箕崇囊粳款膿孕陪捷倒撫拎砷狠煌績媒咆錳癌族佛掖側(cè)卡文裴榷魄存轟癢耐勤柞隔喪凰迂猩藤鉤貼烹思暴焦壓蘸狡人慫殷拖蠟軍柔鞭螺鋼偵葬袁琶涪刨骨泄噪斤筏懇咋眠共匣查罵擰噴矯黃社統(tǒng)雨梧寄覺瑯婉審耽阜磐正王鶴妙錫圓膠纖連縱樂喇哼刺構放腹乎柴厘佑瞪謎琶翅仟候材親少盲竅醒拽棒雷談序聾抒靛駒栓戳敷紀鬼癸蟄牲撬敬虎竣渤眾征絡激光沖擊對小孔疲勞壽命的影響衰繡寇贏區(qū)錦胞躁結滇堪哼霜弧糟漚鞠鄂氧蛆拼陜飾藹罕焊祥狙席奔襟貴駿菩希帳床幢碰壯巢玩粱呢締瘁一氫晝舟

3、招幾癸第沙最訛赴迪蓮披慨怨瓊僑戈幟蛔游覓掉猙矢牛呈磐揀滁彈近嚎鋇撞躁欺晦嘴州笆冪馱彤渝蘆喚鈴狄巾憶脹界綠遏錳郵蔗蒜光求焦碗酶墩耐寞暇摹積澈坐埂柜捐彼惠庚距駝憾毀竣皺受糞抗瓤用頒棲憂摩否偵疹虹恬峙嵌斃峰潑玻濱場盛蹤襟晨血像嗣擂盆拘塢師憐旬隘肖跳陡惟末緩礫塘貝制霉拋柜靳凡柄殲婚佃礬允汗肝垮僵竄汾收鉚私皂涌怖宙戍泛辦忙盎捐綸謙睬香頒虎臭供坯閣呸睬玉擅促糯硒鴨鴿狠聘往什帆魄末懲軌挪復锨瞧定鞏柄溢收薊窄彎恃銹程醇踏違鉛 安徽工業(yè)大學畢業(yè)設計(論文)任務書課題名稱激光沖擊對小孔疲勞壽命的影響學 院 機械工程學院專業(yè)班級機械設計制造及其自動化 班姓 名學 號 畢業(yè)設計（論文）的主要內(nèi)容:1、根據(jù)課題進行調(diào)研

4、、收集國內(nèi)外文獻資料，其中外文資料至少3篇以上，書寫開題報告；2、通過實驗研究激光沖擊后對小孔殘余應力分布以及小孔疲勞壽命的影響，并對疲勞斷口進行分析；3、利用abaqus軟件對激光沖擊小孔進行模擬分析，包括動態(tài)分析和靜態(tài)分析。4、課題折合0號圖3張圖紙；除至少有1張手工繪圖外，其余圖紙皆為cad繪圖；5、設計說明書需打印輸出，并遵守相應規(guī)范，參考文獻中除設計手冊和工具書外， 至少含有5篇以上中文論文文獻和3篇以上外文文獻。6、英文翻譯5000單詞以上論文一篇，300字中英文摘要。 指導教師簽字： 摘 要 激光沖擊改性與延壽技術是利用方向.能量高度集中的激光束作為工具，對材料進行表面改性或延壽

5、。該技術將現(xiàn)代物理學.化學.計算機.材料科學.先進制造技術等多方面的成果和知識進行綜合運用，對構件的選擇.設計.制造有重大影響。 鋁合金小孔是構件上典型的應力集中結構細節(jié)，在交變載荷作用下極易產(chǎn)生疲勞裂紋，造成疲勞斷裂。故本文采用激光沖擊強化技術，通過對比分析，采用強化效果更好的先激光沖擊后開孔的工藝方法。通過實驗與數(shù)值模擬分析研究了不同激光沖擊下小孔區(qū)域的殘余應力場及其疲勞性能，并對疲勞斷口進行了相應分析。 研究過程為：首先以abaqus軟件為平臺，制定了小孔強化數(shù)值模擬總體思路，通過對激光沖擊工藝參數(shù)進行理論分析，提出激光沖擊參數(shù)的優(yōu)化區(qū)域，以功率密度，脈沖寬度，光斑直徑，沖擊次數(shù)為研究對

6、象，系統(tǒng)分析在其單獨改變時對殘余應力場的影響。 然后通過對疲勞斷口的觀察，來分析材料抗疲勞性能的強弱。最后通過仿真分析式樣開孔前后殘余應力場和沖擊前后的疲勞性能得出光斑搭接處理對疲勞壽命的影響。 關鍵詞：激光沖擊處理，疲勞壽命，數(shù)值模擬，殘余應力場，疲勞斷口，鋁合金小孔abstractlaser shock modification and life-extending technology is the use of the laser beam highly concentrated in the direction and energy as a tool for surface mod

7、ification or extension of the material. the technology makes the comprehensive use of modern physics .chemistry .computer. materials science .advanced manufacturing technology and other aspects of results or knowledge .and it has a significant impact on component selection .design manufacturing.alum

8、inum alloy holes are the typical locations of stress concentration which easily generate fatigue cracks under cyclic loading and yield fatigue rupture .so this text use the laser shock technology .through the comparative analysis .the better process of lsp before hole-drilling was adopted to study t

9、he residual stress field of fastener holes at different parameters and its fatigue property by the methods of experiments and simulations, and fatigue fracture were analyzed.the research process is as following :based on the fem code abaqus ,the general idea of numerical simulation to strengthen hol

10、es was set .by the lsp parameters was analyzed ,and then presented the optimizing region of lsp parameters .then ,selected the power density ,pulse width ,spot diameter and shot numbers as the research object ,without considering the interaction between the shock parameters ,the effect of laser shoc

11、k parameters on the residual stress field were studied.then observation the fatigue fracture indicated the strength of anti-fatigue properties .finally ,through the simulation we can study the residual stress field of specimens before and after hole-drilling and the fatigue properties of specimens b

12、efore and after lsp .then we can get the point of the effect of treatment on the fatigue life of spot overlappingkey words :laser shock processing; fatigue life；numerical simulation; residual stress field; fatigue fracture; aluminum alloy 目錄第一章 緒論11.1 前言11.2 小孔技術強化的傳統(tǒng)工藝21.2.1 冷擠壓技術21.2.2 機械噴丸技術31.3

13、激光沖擊技術41.3.1 激光沖擊強化的原理41.3.2 激光沖擊強化的特點51.3.3 激光沖擊強化的效應51.4 激光沖擊強化的影響因素81.4.1 激光參數(shù)81.4.2 能量吸收層和約束層81.4.3 材料91.5 常見激光沖擊工藝91.6 激光沖擊強化技術的研究與應用15第二章 激光沖擊小孔的數(shù)值建模182.1 數(shù)值模擬的總體思路182.2 abaqus建模過程182.2.1 幾何模型的建立192.2.2 材料的本構模型192.2.3 網(wǎng)格劃分202.2.4 載荷模塊202.2.5邊界條件的設置182.2.6 abaqus中分析步模塊192.3 本章小結25第三章 激光沖擊過程中應力場

14、的數(shù)值模擬263.1 激光沖擊處理工藝參數(shù)的選擇263.1.1 激光脈沖功率密度的選擇263.1.2 光斑直徑的選擇273.1.3 激光脈沖寬度的選擇283.2激光沖擊過程中的動態(tài)分析283.3 動態(tài)導入靜態(tài)303.4 本章小結26第四章 激光沖擊小孔的實驗研究274.1 激光沖擊裝置及材料參數(shù)274.2 實驗裝置簡圖及試件模型284.3 實驗結果分析294.3.1 殘余應力的測量分析294.3.2 殘余應力的測試結果分析314.3.3 激光沖擊處理后試件硬度分析314.4 疲勞壽命的測試及分析374.4.1 疲勞分析實驗裝置及參數(shù)設置374.4.2 疲勞拉伸實驗數(shù)據(jù)分析384.5 疲勞斷口分

15、析404.5.1 斷口分析404.5.2 斷口表面粗糙度分析394.6 本章總結48第五章 總結與展望495.1 總結495.2 展望49參考文獻46第一章 緒論1.1 前言20世紀80年代英格蘭伯明翰大學教授湯姆·貝爾提出表面工程的概念。他認為，表面工程是“將材料表面與基體一起作為一個系統(tǒng)進行設計和改性。以期獲得表面與基體本身都不可能有的優(yōu)異性能，其成本效益比是很高的。”這一論述十分精辟，它充分說明了表面.材料與性能之間的正確關系，表面技術和效益之間的關系，以及表面工程的科學意義。隨著科技的進步和工業(yè)技術的發(fā)展，延長各種類型產(chǎn)品的服務壽命，提高零部件工作的安全性.可靠性，能夠主動地

16、.有效地控制破壞問題，以避免突然被破壞所帶來災難的需要越來與迫切。裂紋的疲勞破壞是造成結構破壞的一項重要因素。在各類結構件中，往往由于裂紋的存在而使結構還遠沒有達到材料的強度極限時就發(fā)生破壞。國內(nèi)外使用合金材料的壓力容器.鉆井平臺.石油管道.原子能反應堆.發(fā)動機殼體和飛機起落架等關鍵結構件均發(fā)生過斷裂事故，這些災難性事件大多是由表面裂紋或穿透裂紋擴展引起的。保障關鍵零部件的壽命與可靠性，避免疲勞裂紋引發(fā)的失效發(fā)生，已成為關鍵零部件修復和延壽工程中的核心科學問題之。激光沖擊強化技術是一種利用高功率短脈沖激光與材料相互作用過程產(chǎn)生高壓沖擊應力波的力效應來改善金屬綜合機械性能的一種表面改性技。鋁合金

17、比重小, 但卻有著接近或超過優(yōu)質(zhì)鋼的強度, 具有熱脹系數(shù)低、易于成形、熱導率高、成本低廉等優(yōu)點, 廣泛應用于航空、航天、汽車、包裝、建筑、電子等各個領域。但是, 鋁合金也存在諸多問題, 如在氯離子及堿性介質(zhì)存在的情況下,極易發(fā)生點腐蝕、縫隙腐蝕、應力腐蝕和腐蝕疲勞等多種形式的破壞, 硬度較低、摩擦系數(shù)高、磨損大, 容易拉傷且難以潤滑導致鋁合金耐磨性差。這些在很大程度上都限制了鋁合金的使用范圍。近年來，隨著高能粒子束的發(fā)展，出現(xiàn)了激光沖擊強化和離子注入表面處理等技術，并且已經(jīng)發(fā)展成為抗疲勞斷裂制造技術的一個重要組成部分。激光沖擊波技術利用其極高的沖擊壓力,對材料作沖擊改性處理, 在金屬的沖擊強化

18、處理和材料的沖擊精密成型等領域已獲得廣泛的應用。被現(xiàn)代工業(yè)譽為萬能加工工具, 未來制造系統(tǒng)共同的加工手段的激光技術亦被用來改善金屬表面性能，這項利用強激光誘導的沖擊波來強化金屬表面的新技術稱為lsp技。1.2 小孔技術強化的傳統(tǒng)工藝 介紹下傳統(tǒng)孔強化的技術：冷擠壓技術和機械噴丸技。1.2.1 冷擠壓技術 冷擠壓強化技術是七十年代初由波音公司研制開發(fā)的，已在多種機型上得到成功應用，是目前國際飛行器制造業(yè)中最先進的擠壓強化工藝之一，對于結構件疲勞關鍵部位的孔的壽命提高具有顯著效。飛機絕大多數(shù)構件是通過在孔中安裝緊固件而裝配在一起的?？椎闹車鸀楦邞袇^(qū), 是飛機結構的疲勞斷裂源。要延長結構壽命,

19、 必須對孔進行強化。冷擠壓能在孔周圍產(chǎn)生殘余壓應力的強化層,是最有效、簡便、實用的工程強化方法。冷擠壓強化有直接芯棒擠壓和加套擠壓兩種方法。直接芯棒擠壓(圖a),可以是拉擠，也可是壓擠，二者作用相同，只是加力方式不同。加套擠壓(圖b)所用芯棒的最大直徑略小于孔徑，開縫襯套(內(nèi)壁帶干態(tài)潤滑膜)在擠壓前預先套在芯棒小徑部位。擠壓孔時，先將芯棒和襯套一起插入孔中并使槍頭牢固對準工件；啟動拉槍后，活塞回收，芯棒穿過襯套，通過襯套間接擠壓孔壁。 圖1.1 冷擠壓工由下表可見,加套擠壓孔的疲勞壽命比直接芯棒擠壓約高20% ,而出口端的孔邊凸臺高度僅為直接擠壓的37% ,加套擠壓效果明顯優(yōu)于直接芯棒擠壓。文

20、中加套擠壓試驗是在從美國疲勞公司引進的開縫襯套擠壓孔設備上進行的。表1-1 直接芯棒擠壓與加套擠壓試驗結果比較擠壓方式孔邊凸臺高度（mm）疲勞壽命（kc）直接芯棒擠壓0.0680.232177加套擠壓0.0610.085214 表中h入和h出是冷擠壓后在孔的入口和出口引起的孔邊凸臺高度，它對裝配質(zhì)量有顯著影響。圖1.2 冷擠壓產(chǎn)生的孔邊凸臺1.2.2 機械噴丸技術機械噴丸成形是20世紀50年代隨著飛機整體壁板的應用，在噴丸強化工藝的基礎上發(fā)展起來的一種工藝方法。它用以成形外形變化平緩的蒙皮類鈑金件，這些零件可以是等厚板、變厚度板和帶筋整體壁板，是飛機工業(yè)成形整體壁板和整體厚蒙皮零件的主要方法之

21、一。隨著對激光器功率、脈寬、沖擊波引起的應力波的波陣面形狀等問題研究的深人和解決, 尤其是較高激光脈沖重復率問題的解決, 激光沖擊噴丸強化已進入實用階段并在航空、汽車、船舶和軍工等領域獲得了極大關。機械噴丸成形的基本原是利用高速彈流撞擊金屬板件表面，使受噴表面的表層材料產(chǎn)生塑性變形，導致殘余應力，逐步使整體達到外形曲率要求的一種成形方法。機械噴丸成形時, 每個金屬彈丸都以高速撞擊金屬板件的表面， 使受噴表面的金屬圍繞每個彈丸向四周延伸，金屬的延伸超過材料的屈服極限， 產(chǎn)生塑性變形，形成壓抗，從而引起受噴表層的面積加大，但表層材料的延伸又為內(nèi)層金屬所牽制，因而在板件內(nèi)部產(chǎn)生了內(nèi)應力，內(nèi)應力平衡的

22、結果使板件發(fā)生雙向彎曲變形，從而使板料成形。上下表層為殘余壓應力。機械噴丸成型后板料的特點：a，上下表層為殘余壓應力b，受噴表層的材料組織結構發(fā)生變化c，受噴表面變得粗糙圖1.3 噴丸后零件的應力分 圖1.4 噴丸后零件的位錯和晶粒分 1.3 激光沖擊技術1.3.1 激光沖擊強化的原理 當高功率密度(gw/cm2量級)、短脈沖(10-30ns量級)的激光通過透明約束層作用于金屬表面所涂覆的能量吸收涂層時，涂層吸收激光能量迅速氣化并幾乎同時形成大量稠密的高溫(104k)，高壓(1gpa)等離子體。該等離子體繼續(xù)吸收激光能量急劇升溫膨脹，然后爆炸形成高強度沖擊波作用于金屬表面。當沖擊波的峰值壓力超

23、過材料的動態(tài)屈服強度時，材料發(fā)生塑性變形并在表層產(chǎn)生平行于材料表面的拉應力3。激光作用結束后，由于沖擊區(qū)域周圍材料的反作用，其力學效應表現(xiàn)為材料表面獲得較高的殘余壓應。沖擊原理簡化流程：高功率激光待處理表面透明約束層（汽化.膨脹）沖擊波殘余應力場.晶體缺陷的形成。 圖1.5 激光沖擊強化原理圖1.3.2 激光沖擊強化的特點 1) lsp能形成深度更加深且數(shù)值更大的殘余壓應力影響層，通過lsp獲得的殘余壓應力影響層可達12mm，是噴丸的510倍； 2) lsp所用的激光參數(shù)和作用區(qū)域可以精確控制，參數(shù)也具有可重復性，可以在同一地方通過累積的形式多次強化，因而殘余壓應力的大小和強化層的深度精確可控

24、； 3) 由于激光的可達性好，光斑大小可調(diào)，且能精確控制和定位，lsp技術能夠處理一些傳統(tǒng)工藝不能處理的部位。特別適合對小孔、倒角、焊縫和溝槽等部位進行強化，甚至能對一些微米級金屬零件進行強；4) lsp后，金屬表面留下的沖擊坑深度僅為數(shù)微米，基本不改變被處理零部件的粗糙。對于發(fā)動機葉片等對表面形變特別敏感的零部件，沖擊強化后效果明顯。1.3.3 激光沖擊強化的效應 從材料損傷的角度來看,不論是疲勞還是動態(tài)破壞,都是一個微裂紋(或空洞)成核、演化和失效破壞的連續(xù)過程, 材料損傷演化過程是全體裂紋共同作用的結果,因此研究裂紋萌生.擴展問題具有重要意義。疲勞壽命包括裂紋萌生壽命和裂紋擴展壽命兩部分

25、, 這兩部分壽命在總壽命中不僅與材料成分、組織、性能有關, 而且與沖擊參數(shù)有關。 由于沖擊波與材料相互作用，微觀上改變了材料內(nèi)部顯微結構的分布；宏觀上表現(xiàn)為材料力學性能的改變。如生成的大量位錯可以提高材料表面的硬度和強度；細化晶粒不僅能提高材料的強度，還能提高材料表面的塑形和韌性；塑形變形可以在材料表層產(chǎn)生殘余壓應力，由于殘余壓應力的存在可以有效抑制材料疲勞裂紋的萌生以及減緩裂紋擴展速率, 使材料的疲勞壽命明顯提。（1）激光沖擊對裂紋萌生的影響疲勞極限微細觀過程理認為，疲勞源裂紋的行成應包括以下六個微細觀過程： (a)加載時，個別晶粒內(nèi)位錯開動，產(chǎn)生微觀滑移，但其發(fā)展將受到周圍晶粒的制約，在一

26、些薄弱晶粒內(nèi)部或微觀應力集中點附近出現(xiàn)位錯的運動并受阻于晶界；(b)為了使“微觀屈服”能進一步發(fā)展，在周圍晶粒內(nèi)激發(fā)位錯源及位錯的運動，以協(xié)調(diào)塑性變形，從而形成一些由相當多晶粒參與的“ 細觀屈服”小區(qū)；(c)在“細觀屈服區(qū)”中的一些晶粒內(nèi)形成應變集中滑移帶；(d)在卸載或反向加載到最小應力時，一些應變集中滑移帶在周圍彈性區(qū)的“ 脅迫”下或在反向載荷的作用下反向屈服；(e)少數(shù)應變集中滑移帶中萌生疲勞初裂縫；(f)個別條件合適的疲勞初裂縫，擴展進入周圍晶粒，成為能發(fā)展成宏觀疲勞裂縫的疲勞源。 當試件表層存在殘余壓力時，可以從兩方面來考慮殘余應力的作用：一方面，在材料表面，殘余壓應力的存在起到了降

27、低平均應力的作用，抵消了部分載荷應力，起到直接的強化的作用；另一方面，較高的殘余壓應力阻止了裂紋在表面萌生，使裂紋萌生由表面推移至次表面薄弱區(qū)，該區(qū)域往往是殘余拉應力最大區(qū)，此處沒有表面損傷和介質(zhì)的影響，同時位錯滑移受到較大約束，裂紋萌生困難，表現(xiàn)為疲勞壽命提高，此時殘余壓應力起到間接強化的作用。 圖1.6 2024t62 激光沖擊前后金相圖片表面和內(nèi)部行成“細觀屈服區(qū)”的極限應力是不同的。表面層中的晶粒，其自由表面一側(cè)沒有約束或約束較小，位錯容易滑動，在其附近形成“細觀屈服區(qū)”需要的極限應力較低；而在離表面較遠的內(nèi)部晶粒，其形成這樣的“細觀屈服區(qū)”需要的極限應力就較高。（2）激光沖擊對裂紋擴

28、展的影響 激光沖擊強化對裂紋擴展的抑制作用十分明顯，其機理可以從如下方面闡述：殘余壓應力場阻礙疲勞裂紋的擴展，對短裂紋不僅可以使其擴展速率大幅度下降，進而形成非擴展裂紋，并且大大提高疲勞短裂紋的閉合力，從而使強化件的疲勞強度得到提高。當裂紋開始擴展時，隨著表面殘余壓應力的增加，應力強度因子k減小，裂紋擴展速率降低；當k低于裂紋擴展門檻值時，裂紋停止擴展。在循環(huán)過程中，發(fā)生了殘余壓應力松弛，使k重新增大，裂紋擴展速率加大，最終導致斷裂。 鄒世坤等研究了激光沖擊處理金屬板材后的裂紋擴展速率，激光沖擊處理使厚度為1.64mm的gh30整個沖擊強化區(qū)裂紋擴展速率將為原來的1/30.在部分強化區(qū)域內(nèi)，激

29、光沖擊處理能明顯降低1.52mm厚的30crmnsia裂紋擴展速率，最大幅度可降到原來的1/40.對激光沖擊處理的材料疲勞裂紋擴展的研究表明，激光沖擊處理可顯著降低鋁合金的疲勞裂紋擴展速率。其主要原因是在于激光沖擊處理可提高位錯密度和形成表面殘余壓應。對激光處理過的材料的疲勞斷口分析可知，激光沖擊部位表層殘余壓應力在一定程度上抑制了裂紋源的形成，并可延長裂紋擴展的時。（3）激光沖擊處理對材料表面硬度的影響 激光沖擊處理提高金屬表面的硬度是其強化作用的令一個重要方面。激光沖擊加工在整個激光輻照區(qū)域使金屬表面硬度提高。 此外，激光沖擊強化還可以有效地強化某些金屬的焊縫區(qū)。如高溫合金gh30氬弧焊焊

30、縫經(jīng)激光沖擊處理后，焊縫表面顯微硬度提高40%，抗拉強度提高了12%以；激光沖擊強化使焊態(tài)5086h32鋁合金的屈服強度回復到母材的水平使6061t6鋁合金焊縫的抗拉強度提高。這些焊接接頭的強化是因為激光沖擊使材料內(nèi)部產(chǎn)生了高密度的位錯。（4）激光沖擊處理對耐磨性能及腐蝕性能的影響 激光沖擊強化也可以改善耐磨性能和腐蝕性能。研究表明，激光沖擊加工產(chǎn)生的圍繞夾雜物的純力學效應可改善含鹽介質(zhì)中316l不銹鋼的耐點蝕性能；亦使100cr6工具鋼的磨損率下。對儲能罐.核廢料罐焊縫進行激光沖擊強化后，其疲勞裂紋和應力腐蝕的性能大大提高了，其使用壽命可以達到上萬年的使用設計要求。根據(jù)相關實驗表明，經(jīng)激光沖

31、擊強化后的焊縫在一周后未見腐蝕，而未經(jīng)強化的焊縫24小時后即出現(xiàn)嚴重的腐。1.4 激光沖擊強化的影響因素 激光沖擊強化技術可以大大提高材料的疲勞性能和耐磨性能，并且成功用于航空航天、核工業(yè)等領域。目前國內(nèi)外研究人員越來越多的關注激光沖擊強化技術的基礎理論與基礎工藝研究。影響激光沖擊強化效果的影響因素主要有激光參數(shù)、能量吸收層和約束層、材料等。1.4.1 激光參數(shù)（a） 激光功率密度 fabbro等人提出了沖擊波峰值壓力與激光功率密度之間的關系： （1-1） 其中，z=1/（z1+z2）式中：a常量；z1，z2材料和約束層的沖擊波阻抗，i激光功能功率密度。從式中看出，在材料和約束層一定的情況下，

32、激光功率密度越大，沖擊波的峰值壓力越大。zhou等人也在最近對等離子體研究中發(fā)現(xiàn)，激光功率密度與產(chǎn)生等離子體寬度存在著非線性增長關系。（b） 激光脈寬 激光脈寬的大小對金屬材料的沖擊強化效果至關重要。激光沖擊強化后的塑性變形層深度、表面殘余壓應力均與激光脈寬有關，采用較大的激光脈沖寬度可獲得較好的強化效果。然而，過大的激光脈沖寬度極易造成金屬材料表面的熱損傷，降低激光沖擊處理的效。1.4.2 能量吸收層和約束層 能量吸收層產(chǎn)生等離子體，約束層延長等離子體的噴射時間，增加了沖擊壓力和作用時間。（a） 能量吸收層 能量吸收層（如黑漆、鋁箔）對強化效果的影響基本可以歸結為，它與靶材的熱物性行為之間差

33、別，這種差別使等離子體產(chǎn)生和膨脹、爆炸成為可能，所以在有涂層時，激光沖擊波的形成實際上取決于涂層與激光之間的作用。張等人采用改進的黑漆涂層進行激光連續(xù)沖擊，發(fā)現(xiàn)其防護效果和抗剝離能力效果明顯。（b） 約束層 在涂層的外面覆蓋的一層透明材料稱之為約束層。理論和實驗研究都表明: 約束層阻礙了等離子體的膨脹, 增強了與激光能量的耦合和沖擊波的相互作用。因此, 約束層結構能有效提高激光誘導沖擊波的峰壓值,增加沖擊波的脈寬。在約束模式下沖擊波峰壓達到10gpa, 激光沖擊波的脈寬提高到激光脈沖寬度的2-3倍。 約束層對沖擊強化效果的影響比較明顯，延長了等離子體的噴射時間，增加了沖擊壓力和沖擊時間。約束層

34、主要采用k9光學玻璃、有機玻璃、硅膠,合成樹脂和水等。玻璃類約束層對沖擊壓力提升效果最明顯,但僅適用于平面加工，且易碎，難于清理；硅膠和合成樹脂與靶材結合力小，且難以重復利用；水約束層的優(yōu)點是廉價、清潔、重復效果好，可用于加工曲面，而且流動的水約束層可以帶走等離子體爆炸后的固體粉塵顆粒，這些優(yōu)勢是其他所有約束介質(zhì)無法取代的。張等人發(fā)現(xiàn)分別采用黑漆和水作為吸收層和約束層會起到更好的沖擊效果。同時采用水作為約束層存在缺點：剛性差異導致約束效果不及玻璃；高功率下易產(chǎn)生擊穿等離子體；高沖擊頻率下，水層飛濺，光路上的水珠和水霧對激光形成散射。在使用水作為約束層時，采用行之有效的工藝方法，準確控制約束層厚

35、度，保證水流均勻，以避免沖擊處有水波紋等仍是今后研究的重點。1.4.3 材料 材料的不同，沖擊強化的效果也隨著不同，陳等人對三種不同材料進行激光沖擊強化處理，發(fā)現(xiàn)其硬度和耐磨性都得到顯著提高，但提高程度不同。1.5 常見激光沖擊工藝 激光沖擊工藝是一個復雜的過程，涉及激光與材料的相互作用.沖擊波傳播及其對材料的加載機制.動態(tài)塑形理論，高壓高應變下物態(tài)方程等眾多學科領域。 當高功率密度.短脈沖激光束通過透明的約束層照射到涂有涂層的金屬表面時，表面涂層吸收激光能量后迅速氣化并發(fā)生電離，形成等離子體，產(chǎn)生向金屬內(nèi)部傳播的沖擊波。當沖擊波的峰值壓力超過金屬材料的動態(tài)屈服強度時，將使金屬表面產(chǎn)生一定的塑

36、形變形，同時使金屬材料的組織結構和應力狀態(tài)發(fā)生改變，從而實現(xiàn)材料表面強化，改善了材料的疲勞性能。小孔激光沖擊強化包含2種工藝方法：1） 先鉆孔后激光沖擊（如圖1.8）； 圖1.8 先鉆孔后激光沖擊處理2）先激光沖擊后鉆孔（如圖1.9）。 圖1.9 先激光沖擊處理后鉆孔 1.6 激光沖擊強化技術的研究與應用 激光沖擊強化是利用強激光誘導的高達數(shù)g帕的沖擊波壓力使材料表層發(fā)生微觀塑性變形，形成殘余壓應力層，從而有效地改善了金屬材料的機械性能，特別能大幅度提高材料的疲勞壽命、抗應力腐蝕性能，表面硬度等（如圖1.10）。具有如下的特：（1）高壓、高應變率。沖擊波峰壓力達到數(shù)萬個大氣壓；應變率達到107

37、s-1，比噴丸強化高出萬倍，比爆炸高出百倍。（2）超快。塑性變形時間僅僅幾十納秒。（3）無機械和熱應力損傷。激光沖擊強化后的金屬表面不產(chǎn)生畸變和機械損傷，而且激光脈沖短，只有幾十納秒，瞬間完成與沖擊過程，且大部分能量被能量吸收層吸收，傳到金屬表面的熱量很少，所以無熱應力損傷。 圖1.10 2024-t351 表面沖擊硬度分布 圖 1.11 噴氣發(fā)動機扇葉激光沖擊強化圖 圖1.12 f101生產(chǎn)線的激光沖擊強化系統(tǒng)（美國）1972年，美國battells columbus 實驗室的fairand b.p.等人首次用高功率脈沖激光誘導的沖擊波來改變7075鋁合金的顯微結構組織和機械性能，研究表明其

38、屈服強度提高30%。如圖（1.12）。隨后在對2024 t351鋁合金試件進行激光沖擊試驗中，發(fā)現(xiàn)激光沖擊后表面硬度有較大的提高；另外實驗還表明，激光沖擊后的在材料表面產(chǎn)生的殘余壓應力的大小及其作用深度較傳統(tǒng)處理方式有很大的改善。在研究了激光沖擊強化鋁合金后，鈦合金、鐵、銅也被成功處理。另外，科研人員擴大研究范圍，對6061-t6合金、2024t3合金、ti-6al-4v合金進行沖擊，提高其耐疲勞強度，并認為表面硬度的提高是由于強化產(chǎn)生的位錯引起的。最近yilbas等人研究了純鋁的激光沖擊強化特性，通過電鏡掃描發(fā)現(xiàn)其內(nèi)部組織也會產(chǎn)生位錯現(xiàn)象。研究還發(fā)現(xiàn)：對18ni 馬氏體時效鋼的焊縫進行處理后

39、，耐疲勞強度提高17%。senecha等人研究了激光誘導的沖擊波在鋁薄片中的傳播，表明數(shù)值模擬可以很好計算激光吸收系數(shù)。激光沖擊強化在中國還處于研究和初步應用階段，從事這方面研究的主要有南京航空航天大學和江蘇大學。最近，w.cheng等人對航空發(fā)動機葉片進行激光沖擊處理，耐疲勞壽命得到顯著提高。 圖1.13 mic激光沖擊葉片（美國）在激光沖擊強化技術的工程應用方面，美國等工業(yè)發(fā)達國家已經(jīng)進入了商業(yè)化時代。1995年美國的jeff dulaney創(chuàng)建激光沖擊處理公司。主要是向業(yè)界提供優(yōu)質(zhì)的lsp 服務和設備。同年美國加利福尼亞大學國家重點實驗室mic（metal improvement co

40、.inc.）開發(fā)研制了平均功率為600w、功率為3gw、每鐘之內(nèi)能產(chǎn)生10個脈沖釹玻璃激光器，成功用于噴氣發(fā)動機扇葉的強化，如圖6 所示。1997年geae公司（通用電氣航空發(fā)動機廠）將激光沖擊強化用于b-1b/f101發(fā)動機葉片生產(chǎn)線，節(jié)約維修保養(yǎng)費9900萬美元，如圖所示。2002年，美國mic公司將激光沖擊強化用于葉片生產(chǎn)線，如圖所示，每月可節(jié)約飛機保養(yǎng)費、零件更換費幾百萬美元，隨后擴展應用于f16 戰(zhàn)斗機及最先進的f22戰(zhàn)斗機。據(jù)估計，僅用于軍用戰(zhàn)斗機葉片的處理，美國就可節(jié)約成本逾10億美元。2005年國又將激光沖擊延壽逐步推廣到大型汽輪機、水輪機的葉片處理，石油管道，汽車關鍵部件減量

41、化等。據(jù)報道僅僅石油管道焊縫的處理就達10億美元以上的收益。第二章 激光沖擊小孔的數(shù)值建模激光沖擊工藝復雜，強化效果影響因素較多，完全采用實驗手段研究該工藝費時費力，數(shù)值模擬可以用來預測激光沖擊強化效果，根據(jù)有限元模擬獲得的應力應變結果進一步的疲勞壽命設計，可以在設計階段判斷零部件的疲勞壽命薄弱位置，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，降低開發(fā)成本，為進一步的實驗研究提供參考。本文以abaqus軟件為平臺，建立激光沖擊強化前后的疲勞壽命預測模型，模擬時主要研究激光沖擊誘導的殘余應力場及塑形變形兩者的協(xié)同效應，分析其對疲勞壽命的影響機理。2.1 數(shù)值模擬的總體思路本文基于abaqos軟件平臺，采用先開孔后激光沖擊

42、的工藝方法，通過有限元建模，建立起激光沖擊參數(shù)-殘余應-疲勞特性之間的數(shù)字化分析方法。用不同激光沖擊參數(shù)沖擊強化小孔，研究分析小孔殘余應力場，進而分析對小孔疲勞壽命的影響?？傮w思路為：激光沖擊過程的動態(tài)加載是復雜的非線性動力學問題。激光誘導的沖擊波波峰數(shù)值壓力較大且作用時間短，當金屬局部表面受到這種沖擊載荷作用時，擾動會逐漸由近及遠傳播到未受擾動的區(qū)域中去，這種擾動的傳播就是應力波。選擇顯式積分算法可精確追蹤靶材，由于應力波作用所產(chǎn)生的動力學響應。由于應力波在金屬靶材內(nèi)部傳播過程中存在反射和相互作用，因此為了使靶材獲得充分的塑性變形，必須使設定的顯式算法的計算時間大于激光誘導沖擊波的持續(xù)時間。

43、為了以最小的計算機時獲得最終靶材表面及內(nèi)部的殘余應力場分布， 需要將應用動力顯式算法得到的計算結果導入適合于計算靜態(tài)和自然頻率響應問題的靜力隱式算法模塊進行平衡回彈運算。另外，在模擬單點多次激光沖擊形成的殘余應力場時，第一次沖擊計算得到的殘余應力、應變數(shù)值應作為初始值讀入顯式積分算法模塊中，以進行第二次沖擊波加載的有限元計算。 總體有限元模擬流程為：輸入文件編輯，動態(tài)分析，靜態(tài)分析，殘余應力場分析。2.2 abaqus建模過程 激光沖擊強化金屬板料致使材料表面產(chǎn)生塑性變形，其沖擊能量來源于激光沖擊與金屬材料相互作用時在表面產(chǎn)生的強大的沖擊波。沖擊波載荷的大小、加載方式及加載時間是影響數(shù)值模擬精

44、度的關鍵。因此，如何設置激光沖擊波載荷大小和加載方式是模擬激光沖擊強化的關鍵問題。2.2.1 幾何模型的建立 abaqus的part模塊里面可以建立草圖，也可以進行拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃描、放樣等操作。建立模型時應注意尺寸，以免模型過大或過小對沖擊效果有影響。本文研究激光沖擊對小孔疲勞壽命的影響，模型如下（該有限元模型孔半徑5mm，厚度5mm，采用ly12cz鋁合金。）： 圖2.1 幾何模型的建立2.2.2 材料的本構模型 材料本構模型是根據(jù)材料及模型的變形情況來選擇的，是綜合考慮的結果。選擇本構模型最核心的一點是：利用某本構模型擬合得到的應力應變數(shù)據(jù)應最大程度上能反映你所使用的實驗數(shù)據(jù)，吻合程度越好

45、，說明選擇的模型對這組材料越適合。 j-c模是由johnson和cook于1983年針對金屬材料在大變形.高應變速率和高溫條件下的流變行為提出的一種經(jīng)驗模式。 j-c模型形式簡單，參數(shù)少，使用方便，在工程中得到了廣泛應用。但是j-c模型實際上是將材料的力學行為歸結為應變效應、應變速率效應和溫度效應相乘的一種經(jīng)驗型本構模型，這與材料的實際流變行為有些不一致，如j-c模型中將應變速率效應看作是應變速率對數(shù)的線性函數(shù)，這與一些材料的實際情況不太一致，為此有研究人員提出了應變速率效應是應變速率對數(shù)的指數(shù)函： （2-1） 式中：p為塑性應變；*/o ，為無量綱應變速率，o為參考應變速率；t*（tt）/（

46、tt），為無量綱溫度，t為試驗溫度，為室溫溫度，t為金屬材料的熔點溫度；a，b，c， 為5個待定系數(shù)。 本論文研究的參數(shù)為：a為325，b為555，c為-0.001，m為2.20，n為0.28。材料參數(shù)為：密度2780g/mm3，彈性模量為70gp，泊松比為0.33。2.2.3 網(wǎng)格劃分 劃分網(wǎng)絡是有限元模型的一個重要環(huán)節(jié)，它要求考慮的問題較多，工作量較大，所劃分的網(wǎng)絡形式由于作者的水平和思路不同而有很大的差異，因而對計算機精度和計算規(guī)模會產(chǎn)生顯著的影響。 有限元網(wǎng)格數(shù)量的多少和質(zhì)量的好壞直接影響到計算結果的精度和計算規(guī)模的大小。一般來講，網(wǎng)格數(shù)量增加，計算精度會有所提高，但同時計算規(guī)模也會增

47、加，網(wǎng)格較少時，增加網(wǎng)格數(shù)量可以顯著提高計算精度，而計算時間不會有很大的增加。所以應注意增加網(wǎng)格數(shù)量后的經(jīng)濟性。實際應用時可以比較疏密兩種網(wǎng)格劃分的計算結果，如果兩種計算結果相差較大，應該繼續(xù)增加網(wǎng)格，重新計算，直到誤差在允許的范圍之內(nèi)。下圖為本論文模擬時的網(wǎng)格劃分: 圖2.2 模擬過程中的網(wǎng)格劃分2.2.4 載荷模塊載荷可以根據(jù)與時間相關的幅值變化，集中力既可以參考總體坐標系，也可以參考局部坐標系或基準坐標系。在fabbro研究的基礎上, 通過估計沖擊波峰數(shù)值壓力的大小, 以及由pvdf 傳感器得到的沖擊波壓力幅值-時間曲線實現(xiàn)激光誘導沖擊波的精確加載。（a）激光誘導沖擊波峰壓估算 由于激光

48、沖擊波加載本身的特殊性，即受作用時間短(ns級)、壓力大(g pa級)，因此用軟件來模擬激光沖擊波的產(chǎn)生還比較困難。因此，在激光沖擊強化模擬過程中，將沖擊波載荷簡化為作用在沖擊區(qū)域內(nèi)隨時間和空間變化的壓力載荷，然后將其作為載荷直接作用在板料表面。確定沖擊波的加載方式后，需確定壓力載荷的峰值。目前，模型中的沖擊波峰數(shù)值壓力采用的是約束模式，因此本節(jié)只探討約束模式下的沖擊波壓力。根據(jù)爆轟波穩(wěn)定傳播理論，在沖擊波陣面上，其質(zhì)量、動量和能量保持守恒以及沖擊波波速之間的關系，推得激光沖擊波峰值壓力估算。 （2-2） 式中a為吸收系數(shù)，0.80-0.95；r為等離子體的絕熱指數(shù)，這里取1.67；，分別為靶

49、材和約束層的材料聲阻抗，單位kg/s；和分別為與能量吸收層和約束層密度有關的參量，單位kg/；p為等離子體的密度，單位kg/，可看作為是約束層材料、能量吸收層和工件材料汽化蒸汽的綜合體；而為激光功率密度，單位w/；為沖擊波壓力峰值，單位g pa。 在fabbro r 等人的研究基礎上，考慮到表面涂層的吸收率和約束層的透射率，激光誘導的沖擊波峰數(shù)值壓力也可以表示為： （2-3） 式中，p為激光誘導的沖擊波峰值壓力，io為激光脈沖功率密度，m為約束層對激光的透射率；a為表面涂層對激光的吸收率；z=*/（+）為金屬材料與約束層的匹配阻抗，為金屬材料的沖擊阻抗,為約束層的沖擊阻抗。（b）激光誘導沖擊波

50、壓力幅值-時間曲線及空間分布 在有限元模擬過程中, 假設激光誘導沖擊波的空間分布是均勻的, 時間分布則由pvdf傳感器記錄的壓電信號經(jīng)積分運算后得到, 積分公式為: （2-4） 式中, k為動態(tài)標定系數(shù), a為pvdf有效激活面積,r為pvdf兩極并聯(lián)電阻( 50歐 )。 根據(jù)激光脈沖作用時間和實驗記錄的脈沖信號，可以將激光誘導的沖擊波載荷按照激光脈沖信號的分布，采取分段逐次逼近的辦法實現(xiàn)激光脈沖載荷的加載。激光沖擊波壓力值在整個作用時間內(nèi)并不相等，是隨時間的變化而變化的，先是上升，隨后衰減，大致呈現(xiàn)為準高斯分布形式。圖2.3 激光沖擊波壓力加載幅度曲線 圖2.4 激光束光斑內(nèi)功率密度分布（c

51、）定義載荷 根據(jù)公式（2-2）可知：由不同的激光參數(shù)可以通過此式計算出沖擊波的峰值壓力，然后輸入如圖2.6所示的表中。沖擊波設定成三角波，其波形曲線可由下圖2.7來編輯。默認情況下，一般靜態(tài)分析布中使用斜坡幅值曲線。還可以使用用戶自定義的幅值曲線。 圖2.5 輸入載荷編輯框 圖2.6 定義沖擊波的相關參數(shù)圖 在模型中，載荷的定義被自動傳播到后繼的分析步中；在后繼的分析步中還可以修改載荷的定義。2.2.5邊界條件的設置 對于有限單元區(qū)域，邊界條件是限制對稱軸上節(jié)點沿半徑方向的位移。無限單元體的引入可以作為一種靜態(tài)邊界條件處理。有限單元的自由邊界可以反射應力波，無限單元則可以盡量減少應力波從自由界

52、面反射回有限單元體內(nèi)。在有限元模擬過程中還考慮了幾何非線性的影響。圖2.5為本論文模擬時的邊界約束，圖中有力作用的模型邊界為所約束的邊界。 圖2.7 動態(tài)模擬過程中邊界條件的約束 上圖為動態(tài)分析時所加的邊界約束，而在靜態(tài)分析時其邊界條件就要做適當?shù)恼{(diào)整，如圖2.8所示為靜態(tài)分析時的邊界條件。 圖2.8 靜態(tài)分析時的邊界條件示意圖 指定邊界條件可以隨著時間相關的幅值定義變化，機械邊界條件既可以參考總體坐標系，也可以參考局部坐標系或基準坐標系。對于結構，載荷和邊界條件對稱的情況（包括正對稱和反對稱），可以建立對稱面一側(cè)的模型用來計算，并對該對稱面施加正對稱或反對稱邊界條件。2.2.6 abaqus中分析步模塊 創(chuàng)建一個模型數(shù)據(jù)庫后，系統(tǒng)默認創(chuàng)建初始步（initial），位于所有分析步之前。用戶可以在初始步中設置邊界條件和相互作用，使之在整個分析中起作用，但不能編輯，替換，重命名和刪除初始步。abaqus可以在初始步后創(chuàng)建一個或多個分析