激光噴丸強化鋁合金的疲勞裂紋擴展特性及延壽機理研究.pdf

1、激光噴丸強化技術(shù)利用高能短脈沖激光誘導(dǎo)的高幅沖擊波壓力實施表面改性，能有效改善金屬材料中的應(yīng)力分布和微觀組織結(jié)構(gòu)，從而有效延緩裂紋擴展速率、提高零件的疲勞壽命。目前對于裂紋件的激光噴丸延壽技術(shù)主要集中于試驗研究，而對共性的機理研究相對匱乏，還未形成系統(tǒng)的激光噴丸誘導(dǎo)殘余壓應(yīng)力場下裂紋擴展規(guī)律及其延壽機理的基本理論。本文對激光噴丸強化的裂紋擴展特性進行理論探討，研究典型6061-T6鋁合金單聯(lián)中心孔試樣和緊湊拉伸CT試樣的激光噴丸強化處理

2、工藝，分析表面完整性對疲勞特性的影響，結(jié)合疲勞裂紋擴展的宏觀斷裂力學(xué)性能和微觀疲勞斷口形貌，依據(jù)斷裂發(fā)展的不同階段，深入細致地描述激光噴丸強化工藝的延壽機理，且對激光噴丸誘導(dǎo)殘余應(yīng)力場下的疲勞裂紋擴展特性進行數(shù)值模擬，本文的主要內(nèi)容有以下幾個方面:
　　 (1)提出了激光噴丸強化后疲勞裂紋擴展壽命的計算方法及其估算式。基于斷裂力學(xué)的基本理論，探索了激光噴丸工藝對含裂紋件疲勞裂紋擴展特性（包括疲勞裂紋擴展門檻值、應(yīng)力強度因子、疲勞

3、裂紋擴展速率、裂紋尖端張開位移及裂紋前沿塑性變形區(qū)尺寸）的影響;在綜合考慮外加載荷及激光噴丸誘導(dǎo)的殘余應(yīng)力相互作用的基礎(chǔ)上，基于Paris公式得出了激光噴丸前后疲勞裂紋擴展壽命的估算公式;基于金屬物理的方法，通過對疲勞斷口形貌特征的定量描述，分析了激光噴丸作用下裂紋件的疲勞應(yīng)力及疲勞壽命反推的主要方法，為宏微觀結(jié)合揭示激光噴丸對金屬材料的疲勞裂紋擴展特性及其疲勞壽命的增強機制提供理論依據(jù)。
　　 (2)系統(tǒng)研究了激光噴丸鋁合金表

4、面的完整性及其對疲勞特性的影響。進行了不同激光噴丸工藝參數(shù)下鋁合金表面及沿深度方向的納米壓痕測試，分析了不同噴丸次數(shù)及激光能量對納米壓痕接觸深度和接觸面積的影響，研究了激光噴丸提高鋁合金表層納米硬度和彈性模量的機制;對激光噴丸后的表面形貌和表面粗糙度進行了測試，分析了表面凹坑形貌、線粗糙度及面粗糙度變化對鋁合金疲勞性能的影響;研究了激光噴丸CT試樣誘導(dǎo)的殘余壓應(yīng)力大小及其分布，分析了不同激光工藝參數(shù)對鋁合金表面及深度方向殘余應(yīng)力分布規(guī)律

5、的影響;測試了不同激光能量下激光噴丸后的顯微組織結(jié)構(gòu)，獲得了多次激光噴丸6061-T6鋁合金的微觀強化機制。
　　 (3)探索了激光噴丸強化工藝對工件殘余應(yīng)力和疲勞裂紋擴展的影響。以單聯(lián)中心孔試樣為對象，通過軸向載荷、軸向位移與疲勞壽命的關(guān)系曲線，分析了不同激光噴丸次數(shù)、噴丸軌跡和激光能量與試樣疲勞壽命的關(guān)系;在此基礎(chǔ)上，研究了含預(yù)制裂紋CT試樣的激光噴丸強化工藝，通過da/dN-△K及a-N關(guān)系曲線，分析了不同激光能量和噴丸軌

6、跡對CT試樣疲勞裂紋擴展特性的影響;研究了裂紋尖端張開位移與疲勞裂紋擴展速率、疲勞壽命之間的關(guān)系曲線，驗證了裂尖張開位移作為表征材料疲勞裂紋擴展特性參量的可行性，為激光噴丸參數(shù)的選取和工藝準則的制定提供基礎(chǔ)實驗數(shù)據(jù)。
　　 (4)深入分析了激光噴丸強化的疲勞斷口形貌特征，實現(xiàn)了疲勞擴展壽命的斷口定量反推。以典型單聯(lián)中心孔試樣和CT試樣為例，依據(jù)斷裂過程發(fā)展的不同階段，系統(tǒng)分析了不同激光噴丸次數(shù)、激光能量和噴丸軌跡下，試樣在疲勞裂

7、紋萌生區(qū)、疲勞裂紋擴展早期、裂紋擴展中期、裂紋擴展區(qū)與最終瞬斷區(qū)的過渡區(qū)以及最終瞬斷區(qū)的宏微觀疲勞斷口形貌特征及其微觀強化機制，研究了疲勞裂紋擴展過程中裂紋前端停止-繼續(xù)微觀斷口形貌特征的產(chǎn)生機理;根據(jù)不同裂紋長度處測得的疲勞條帶形貌，對比分析了宏觀裂紋擴展速率和微觀裂紋擴展速率，采用梯形法進行疲勞擴展壽命的斷口定量反推，驗證斷口定量反推疲勞壽命的可行性;進行了典型試樣疲勞斷口的三維形貌重建及其粗糙度分析，得到了疲勞斷口的高度差、線粗糙

8、度及面粗糙度的變化趨勢。
　　 (5)構(gòu)建了以ABAQUS-MSC.Fatigue軟件為平臺的疲勞裂紋擴展的數(shù)字化分析方法。編制專用ABAQUS/CAE的激光沖擊波加載模塊，對6061-T6鋁合金單聯(lián)小孔試樣及CT試樣在不同激光能量和噴丸軌跡作用下產(chǎn)生的殘余應(yīng)力場進行了數(shù)值模擬，結(jié)合MSC.Fatigue疲勞分析中的數(shù)據(jù)無縫對接，進行了殘余應(yīng)力場下疲勞裂紋擴展過程的數(shù)字化分析，獲得了da/dN-△K及a-N的關(guān)系曲線;研究了不同