激光冲击对小孔疲劳寿命的影响毕业设计论文.docx
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激光冲击对小孔疲劳寿命的影响毕业设计论文
安徽工业大学
毕业设计(论文)任务书
课题名称
激光冲击对小孔疲劳寿命的影响
学院
专业班级
姓名
学号
毕业设计(论文)的主要内容:
1、根据课题进行调研、收集国内外文献资料,其中外文资料至少3篇以上,书写开题报告;
2、通过实验研究激光冲击后对小孔残余应力分布以及小孔疲劳寿命的影响,并对疲劳断口进行分析;
3、利用ABAQUS软件对激光冲击小孔进行模拟分析,包括动态分析和静态分析。
4、课题折合0号图3张图纸;除至少有1张手工绘图外,其余图纸皆为CAD绘图;
5、设计说明书需打印输出,并遵守相应规范,参考文献中除设计手册和工具书外,至少含有5篇以上中文论文文献和3篇以上外文文献。
6、英文翻译5000单词以上论文一篇,300字中英文摘要。
指导教师签字:
毕业设计(论文)原创性声明和使用授权说明
原创性声明
本人郑重承诺:
所呈交的毕业设计(论文),是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。
尽我所知,除文中特别加以标注和致谢的地方外,不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果,也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。
对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体,均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。
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作者签名:
日 期:
摘要
激光冲击改性与延寿技术是利用方向.能量高度集中的激光束作为工具,对材料进行表面改性或延寿。
该技术将现代物理学.化学.计算机.材料科学.先进制造技术等多方面的成果和知识进行综合运用,对构件的选择.设计.制造有重大影响。
铝合金小孔是构件上典型的应力集中结构细节,在交变载荷作用下极易产生疲劳裂纹,造成疲劳断裂。
故本文采用激光冲击强化技术,通过对比分析,采用强化效果更好的先激光冲击后开孔的工艺方法。
通过实验与数值模拟分析研究了不同激光冲击下小孔区域的残余应力场及其疲劳性能,并对疲劳断口进行了相应
分析。
研究过程为:
首先以ABAQUS软件为平台,制定了小孔强化数值模拟总体思路,通过对激光冲击工艺参数进行理论分析,提出激光冲击参数的优化区域,以功率密度,脉冲宽度,光斑直径,冲击次数为研究对象,系统分析在其单独改变时对残余应力场的影响。
然后通过对疲劳断口的观察,来分析材料抗疲劳性能的强弱。
最后通过仿真分析式样开孔前后残余应力场和冲击前后的疲劳性能得出光斑搭接处理对疲劳
寿命的影响。
关键词:
激光冲击处理,疲劳寿命,数值模拟,残余应力场,疲劳断口,铝
合金小孔
ABSTRACT
Lasershockmodificationandlife-extendingtechnologyistheuseofthelaserbeamhighlyconcentratedinthedirectionandenergyasatoolforsurfacemodificationorextensionofthematerial.Thetechnologymakesthecomprehensiveuseofmodernphysics.chemistry.computer.Materialsscience.advancedmanufacturingtechnologyandotheraspectsofResultsorknowledge.andithasasignificantimpactoncomponentselection.designmanufacturing.
Aluminumalloyholesarethetypicallocationsofstressconcentrationwhicheasilygeneratefatiguecracksundercyclicloadingandyieldfatiguerupture.sothistextusethelasershocktechnology.throughthecomparativeanalysis.thebetterprocessofLSPbeforehole-drillingwasadoptedtostudytheresidualstressfieldoffastenerholesatdifferentparametersanditsfatiguepropertybythemethodsofexperimentsandsimulations,andfatiguefracturewereanalyzed.
Theresearchprocessisasfollowing:
basedontheFEMcodeABAQUS,thegeneralideaofNumericalsimulationtostrengthenholeswasset.bytheLSPparameterswasanalyzed,andthenpresentedtheoptimizingregionofLSPparameters.Then,selectedthepowerdensity,pulsewidth,spotdiameterandshotnumbersastheresearchobject,withoutconsideringtheinteractionbetweentheshockparameters,theeffectoflasershockparametersontheresidualstressfieldwerestudied.
Thenobservationthefatiguefractureindicatedthestrengthofanti-fatigueproperties.Finally,throughthesimulationwecanstudytheresidualstressfieldofspecimensbeforeandafterhole-drillingandthefatiguepropertiesofspecimensbeforeandafterLSP.Thenwecangetthepointoftheeffectoftreatmentonthefatiguelifeofspotoverlapping
KEYWORDS:
Lasershockprocessing;Fatiguelife;Numericalsimulation;Residualstressfield;Fatiguefracture;Aluminumalloy
第一章绪论
1.1前言
20世纪80年代英格兰伯明翰大学教授汤姆·贝尔提出表面工程的概念。
他认为,表面工程是“将材料表面与基体一起作为一个系统进行设计和改性。
以期获得表面与基体本身都不可能有的优异性能,其成本效益比是很高的。
”这一论述十分精辟,它充分说明了表面.材料与性能之间的正确关系,表面技术和效益之间的关系,以及表面工程的科学意义。
随着科技的进步和工业技术的发展,延长各种类型产品的服务寿命,提高零部件工作的安全性.可靠性,能够主动地.有效地控制破坏问题,以避免突然被破坏所带来灾难的需要越来与迫切。
裂纹的疲劳破坏是造成结构破坏的一项重要因素。
在各类结构件中,往往由于裂纹的存在而使结构还远没有达到材料的强度极限时就发生破坏。
国内外使用合金材料的压力容器.钻井平台.石油管道.原子能反应堆.发动机壳体和飞机起落架等关键结构件均发生过断裂事故,这些灾难性事件大多是由表面裂纹或穿透裂纹扩展引起的。
保障关键零部件的寿命与可靠性,避免疲劳裂纹引发的失效发生,已成为关键零部件修复和延寿工程中的核心科学问题之
。
激光冲击强化技术是一种利用高功率短脉冲激光与材料相互作用过程产生高压冲击应力波的力效应来改善金属综合机械性能的一种表面改性技
。
铝合金比重小,但却有着接近或超过优质钢的强度,具有热胀系数低、易于成形、热导率高、成本低廉等优点,广泛应用于航空、航天、汽车、包装、建筑、电子等各个领域。
但是,铝合金也存在诸多问题,如在氯离子及碱性介质存在的情况下,极易发生点腐蚀、缝隙腐蚀、应力腐蚀和腐蚀疲劳等多种形式的破坏,硬度较低、摩擦系数高、磨损大,容易拉伤且难以润滑导致铝合金耐磨性差。
这些在很大程度上都限制了铝合金的使用范围。
近年来,随着高能粒子束的发展,出现了激光冲击强化和离子注入表面处理等技术,并且已经发展成为抗疲劳断裂制造技术的一个重要组成部分。
激光冲击波技术利用其极高的冲击压力,对材料作冲击改性处理,在金属的冲击强化处理和材料的冲击精密成型等领域已获得广泛的应用。
被现代工业誉为万能加工工具,未来制造系统共同的加工手段的激光技术亦被用来改善金属表面性能,这项利用
强激光诱导的冲击波来强化金属表面的新技术称为LSP技
。
1.2小孔技术强化的传统工艺
介绍下传统孔强化的技术:
冷挤压技术和机械喷丸技
。
1.2.1冷挤压技术
冷挤压强化技术是七十年代初由波音公司研制开发的,已在多种机型上得到成功应用,是目前国际飞行器制造业中最先进的挤压强化工艺之一,对于结构件疲劳关键部位的孔的寿命提高具有显著效
。
飞机绝大多数构件是通过在孔中安装紧固件而装配在一起的。
孔的周围为高应力集中区,是飞机结构的疲劳断裂源。
要延长结构寿命,必须对孔进行强化。
冷挤压能在孔周围产生残余压应力的强化层,是最有效、简便、实用的工程强化方法。
冷挤压强化有直接芯棒挤压和加套挤压两种方法。
直接芯棒挤压(图a),可以是拉挤,也可是压挤,二者作用相同,只是加力方式不同。
加套挤压(图b)所用芯棒的最大直径略小于孔径,开缝衬套(内壁带干态润滑膜)在挤压前预先套在芯棒小径部位。
挤压孔时,先将芯棒和衬套一起插入孔中并使枪头牢固对准工件;启动拉枪后,活塞回收,芯棒穿过衬套,通过衬套间接挤压孔壁。
图1.1冷挤压工
由下表可见,加套挤压孔的疲劳寿命比直接芯棒挤压约高20%,而出口端的孔边凸台高度仅为直接挤压的37%,加套挤压效果明显优于直接芯棒挤压。
文中加套挤压试验是在从美国疲劳公司引进的开缝衬套挤压孔设备上进行的。
表1-1直接芯棒挤压与加套挤压试验结果比较
挤压方式
孔边凸台高度(mm)
疲劳寿命(kc)
直接芯棒挤压
0.068
0.232
177
加套挤压
0.061
0.085
214
表中h入和h出是冷挤压后在孔的入口和出口引起的孔边凸台高度,它对装配质量有显著影响。
图1.2冷挤压产生的孔边凸台
1.2.2机械喷丸技术
机械喷丸成形是20世纪50年代随着飞机整体壁板的应用,在喷丸强化工艺的基础上发展起来的一种工艺方法。
它用以成形外形变化平缓的蒙皮类钣金件,这些零件可以是等厚板、变厚度板和带筋整体壁板,是飞机工业成形整体壁板和整体厚蒙皮零件的主要方法之一。
随着对激光器功率、脉宽、冲击波引起的应力波的波阵面形状等问题研究的深人和解决,尤其是较高激光脉冲重复率问题的解决,激光冲击喷丸强化已进入实用阶段并在航空、汽车、船舶和军工等领域获得了极大关
。
机械喷丸成形的基本原
是利用高速弹流撞击金属板件表面,使受喷表面的表层材料产生塑性变形,导致残余应力,逐步使整体达到外形曲率要求的一种成形方法。
机械喷丸成形时,每个金属弹丸都以高速撞击金属板件的表面,使受喷表面的金属围绕每个弹丸向四周延伸,金属的延伸超过材料的屈服极限,产生塑性变形,形成压抗,从而引起受喷表层的面积加大,但表层材料的延伸又为内层金属所牵制,因而在板件内部产生了内应力,内应力平衡的结果使板件发生双向弯曲变形,从而使板料成形。
上下表层为残余压应力。
机械喷丸成型后板料的特点:
A,上下表层为残余压应力B,受喷表层的材料组织结构发生变化C,受喷表面变得粗糙
图1.3喷丸后零件的应力分
图1.4喷丸后零件的位错和晶粒分
1.3激光冲击技术
1.3.1激光冲击强化的原理
当高功率密度(GW/cm2量级)、短脉冲(10-30ns量级)的激光通过透明约束层作用于金属表面所涂覆的能量吸收涂层时,涂层吸收激光能量迅速气化并几乎同时形成大量稠密的高温(>104K),高压(>1GPa)等离子体。
该等离子体继续吸收激光能量急剧升温膨胀,然后爆炸形成高强度冲击波作用于金属表面。
当冲击波的峰值压力超过材料的动态屈服强度时,材料发生塑性变形并在表层产生平行于材料表面的拉应力[3]。
激光作用结束后,由于冲击区域周围材料的反作用,其力学效应表现为材料表面获得较高的残余压应
。
冲击原理简化流程:
高功率激光→待处理表面→透明约束层→(汽化.膨胀)→冲击波→残余应力场.晶体缺陷的形成。
图1.5激光冲击强化原理图
1.3.2激光冲击强化的特点
1)LSP能形成深度更加深且数值更大的残余压应力影响层,通过LSP获得的残余压应力影响层可达1~2mm,是喷丸的5~10倍;
2)LSP所用的激光参数和作用区域可以精确控制,参数也具有可重复性,可以在同一地方通过累积的形式多次强化,因而残余压应力的大小和强化层的深度精确可控;
3)由于激光的可达性好,光斑大小可调,且能精确控制和定位,LSP技术能够处理一些传统工艺不能处理的部位。
特别适合对小孔、倒角、焊缝和沟槽等部位进行强化,甚至能对一些微米级金属零件进行强
;
4)LSP后,金属表面留下的冲击坑深度仅为数微米,基本不改变被处理零部件的粗糙
。
对于发动机叶片等对表面形变特别敏感的零部件,冲击强化后效果明显。
1.3.3激光冲击强化的效应
从材料损伤的角度来看,不论是疲劳还是动态破坏,都是一个微裂纹(或空洞)成核、演化和失效破坏的连续过程,材料损伤演化过程是全体裂纹共同作用的结果,因此研究裂纹萌生.扩展问题具有重要意义。
疲劳寿命包括裂纹萌生寿命和裂纹扩展寿命两部分,这两部分寿命在总寿命中不仅与材料成分、组织、性能有关,而且与冲击参数有关。
由于冲击波与材料相互作用,微观上改变了材料内部显微结构的分布;宏观上表现为材料力学性能的改变。
如生成的大量位错可以提高材料表面的硬度和强度;细化晶粒不仅能提高材料的强度,还能提高材料表面的塑形和韧性;塑形变形可以在材料表层产生残余压应力,由于残余压应力的存在可以有效抑制材料疲劳裂纹的萌生以及减缓裂纹扩展速率,使材料的疲劳寿命明显提
。
(1)激光冲击对裂纹萌生的影响
疲劳极限微细观过程理
认为,疲劳源裂纹的行成应包括以下六个微细观过程:
(a)加载时,个别晶粒内位错开动,产生微观滑移,但其发展将受到周围晶粒的制约,在一些薄弱晶粒内部或微观应力集中点附近出现位错的运动并受阻于晶界;
(b)为了使“微观屈服”能进一步发展,在周围晶粒内激发位错源及位错的运动,以协调塑性变形,从而形成一些由相当多晶粒参与的“细观屈服”小区;
(c)在“细观屈服区”中的一些晶粒内形成应变集中滑移带;
(d)在卸载或反向加载到最小应力时,一些应变集中滑移带在周围弹性区的“胁迫”下或在反向载荷的作用下反向屈服;
(e)少数应变集中滑移带中萌生疲劳初裂缝;
(f)个别条件合适的疲劳初裂缝,扩展进入周围晶粒,成为能发展成宏观疲劳裂缝的疲劳源。
当试件表层存在残余压力时,可以从两方面来考虑残余应力的作用:
一方面,在材料表面,残余压应力的存在起到了降低平均应力的作用,抵消了部分载荷应力,起到直接的强化的作用;另一方面,较高的残余压应力阻止了裂纹在表面萌生,使裂纹萌生由表面推移至次表面薄弱区,该区域往往是残余拉应力最大区,此处没有表面损伤和介质的影响,同时位错滑移受到较大约束,裂纹萌生困难,表现为疲劳寿命提高,此时残余压应力起到间接强化的作用。
图1.62024T62激光冲击前后金相图片
表面和内部行成“细观屈服区”的极限应力是不同的。
表面层中的晶粒,其自由表面一侧没有约束或约束较小,位错容易滑动,在其附近形成“细观屈服区”需要的极限应力较低;而在离表面较远的内部晶粒,其形成这样的“细观屈服区”需要的极限应力就较高。
(2)激光冲击对裂纹扩展的影响
激光冲击强化对裂纹扩展的抑制作用十分明显,其机理可以从如下方面阐述:
残余压应力场阻碍疲劳裂纹的扩展,对短裂纹不仅可以使其扩展速率大幅度下降,进而形成非扩展裂纹,并且大大提高疲劳短裂纹的闭合力,从而使强化件的疲劳强度得到提高。
当裂纹开始扩展时,随着表面残余压应力的增加,应力强度因子k减小,裂纹扩展速率降低;当k低于裂纹扩展门槛值时,裂纹停止扩展。
在循环过程中,发生了残余压应力松弛,使k重新增大,裂纹扩展速率加大,最终导致断裂。
邹世坤等研究了激光冲击处理金属板材后的裂纹扩展速率,激光冲击处理使厚度为1.64mm的GH30整个冲击强化区裂纹扩展速率将为原来的1/30.在部分强化区域内,激光冲击处理能明显降低1.52mm厚的30CrMnSiA裂纹扩展速率,最大幅度可降到原来的1/40.对激光冲击处理的材料疲劳裂纹扩展的研究表明,激光冲击处理可显著降低铝合金的疲劳裂纹扩展速率。
其主要原因是在于激光冲击处理可提高位错密度和形成表面残余压应
。
对激光处理过的材料的疲劳断口分析可知,激光冲击部位表层残余压应力在一定程度上抑制了裂纹源的形成,并可延长裂纹扩展的时
。
(3)激光冲击处理对材料表面硬度的影响
激光冲击处理提高金属表面的硬度是其强化作用的令一个重要方面。
激光冲击加工在整个激光辐照区域使金属表面硬度提高。
此外,激光冲击强化还可以有效地强化某些金属的焊缝区。
如高温合金GH30氩弧焊焊缝经激光冲击处理后,焊缝表面显微硬度提高40%,抗拉强度提高了12%以
;激光冲击强化使焊态5086H32铝合金的屈服强度回复到母材的水平使6061T6铝合金焊缝的抗拉强度提高
。
这些焊接接头的强化是因为激光冲击使材料内部产生了高密度的位错。
(4)激光冲击处理对耐磨性能及腐蚀性能的影响
激光冲击强化也可以改善耐磨性能和腐蚀性能。
研究表明,激光冲击加工产生的围绕夹杂物的纯力学效应可改善含盐介质中316L不锈钢的耐点蚀性能;亦使100Cr6工具钢的磨损率下
。
对储能罐.核废料罐焊缝进行激光冲击强化后,其疲劳裂纹和应力腐蚀的性能大大提高了,其使用寿命可以达到上万年的使用设计要求。
根据相关实验表明,经激光冲击强化后的焊缝在一周后未见腐蚀,而未经强化的焊缝24小时后即出现严重的腐
。
1.4激光冲击强化的影响因素
激光冲击强化技术可以大大提高材料的疲劳性能和耐磨性能,并且成功用于航空航天、核工业等领域。
目前国内外研究人员越来越多的关注激光冲击强化技术的基础理论与基础工艺研究。
影响激光冲击强化效果的影响因素主要有激光参数、能量吸收层和约束层、材料等。
1.4.1激光参数
(A)激光功率密度
FABBRO等人提出了冲击波峰值压力与激光功率密度之间的关系:
(1-1)
其中,Z=1/(Z1+Z2)式中:
A—常量;Z1,Z2—材料和约束层的冲击波阻抗,I—激光功能功率密度。
从式中看出,在材料和约束层一定的情况下,激光功率密度越大,冲击波的峰值压力越大。
ZHOU等人也在最近对等离子体研究中发现,激光功率密度与产生等离子体宽度存在着非线性增长关系。
(B)激光脉宽
激光脉宽的大小对金属材料的冲击强化效果至关重要。
激光冲击强化后的塑性变形层深度、表面残余压应力均与激光脉宽有关,采用较大的激光脉冲宽度可获得较好的强化效果。
然而,过大的激光脉冲宽度极易造成金属材料表面的热损伤,降低激光冲击处理的效
。
1.4.2能量吸收层和约束层
能量吸收层产生等离子体,约束层延长等离子体的喷射时间,增加了冲击压力和作用时间。
(A)能量吸收层
能量吸收层(如黑漆、铝箔)对强化效果的影响基本可以归结为,它与靶材的热物性行为之间差别,这种差别使等离子体产生和膨胀、爆炸成为可能,所以在有涂层时,激光冲击波的形成实际上取决于涂层与激光之间的作用。
张等人采用改进的黑漆涂层进行激光连续冲击,发现其防护效果和抗剥离能力效果明显。
(B)约束层
在涂层的外面覆盖的一层透明材料称之为约束层。
理论和实验研究都表明:
约束层阻碍了等离子体的膨胀,增强了与激光能量的耦合和冲击波的相互作用。
因此,约束层结构能有效提高激光诱导冲击波的峰压值,增加冲击波的脉宽。
在约束模式下冲击波峰压达到10GPa,激光冲击波的脉宽提高到激光脉冲宽度的2-3倍。
约束层对冲击强化效果的影响比较明显,延长了等离子体的喷射时间,增加了冲击压力和冲击时间。
约束层主要采用K9光学玻璃、有机玻璃、硅胶,合成树脂和水等。
玻璃类约束层对冲击压力提升效果最明显,但仅适用于平面加工,且易碎,难于清理;硅胶和合成树脂与靶材结合力小,且难以重复利用;水约束层的优点是廉价、清洁、重复效果好,可用于加工曲面,而且流动的水约束层可以带走等离子体爆炸后的固体粉尘颗粒,这些优势是其他所有约束介质无法取代的。
张等人发现分别采用黑漆和水作为吸收层和约束层会起到更好的冲击效果。
同时采用水作为约束层存在缺点:
刚性差异导致约束效果不及玻璃;高功率下易产生击穿等离子体;高冲击频率下,水层飞溅,光路上的水珠和水雾对激光形成散射。
在使用水作为约束层时,采用行之有效的工艺方法,准确控制约束层厚度,保证水流均匀,以避免冲击处有水波纹等仍是今后研究的重点。
1.4.3材料
材料的不同,冲击强化的效果也随着不同,陈等人对三种不同材料进行激光冲击强化处理,发现其硬度和耐磨性都得到显著提高,但提高程度不同。
1.5常见激光冲击工艺
激光冲击工艺是一个复杂的过程,涉及激光与材料的相互作用.冲击波传播及其对材料的加载机制.动态塑形理论,高压高应变下物态方程等众多学科领域。
当高功率密度.短脉冲激光束通过透明的约束层照射到涂有涂层的金属表面时,表面涂层吸收激光能量后迅速气化并发生电离,形成等离子体,产生向金属内部传播的冲击波。
当冲击波的峰值压力超过金属材料的动态屈服强度时,将使金属表面产生一定的塑形变形,同时使金属材料的组织结构和应力状态发生改变,从而实现材料表面强化,改善了材料的疲劳性能。
小孔激光冲击强化包含2种工艺方法:
1)先钻孔后激光冲击(如图1.8);
图1.8先钻孔后激光冲击处理
2)先激光冲击后钻孔(如图1.9)。
图1.9先激光冲击处理后钻孔
1.6激光冲击强化技术的研究与应用
激光冲击强化是利用强激光诱导的高达数G帕的冲击波压力使材料表层发生微观塑性变形,形成残余压应力层,从而有效地改善了金属材料的
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