激光沖擊作用下船用厚板低合金鋼疲勞裂紋擴(kuò)展數(shù)值模擬及試驗(yàn)研究.pdf

1、隨著我國陸地和近海石油資源緊缺，深海石油開發(fā)載體高端海工裝備成為當(dāng)前國家戰(zhàn)略核心領(lǐng)域。EH36和Q345B低合金鋼因綜合機(jī)械性能優(yōu)良，被廣泛應(yīng)用于深海高端海工裝備和船舶，但由于海浪、洋流、海冰、潮汐等惡劣工作環(huán)境，使船用厚板EH36和Q345B低合金鋼常因疲勞斷裂而提前失效。激光沖擊改善船用厚板表層冶金質(zhì)量和疲勞壽命對海工制造意義重大。
　　基于金屬物理學(xué)，彈塑性理論和疲勞斷裂力學(xué)，以船用厚板EH36和Q345B低合金鋼為研究對象

2、，采用有限元數(shù)值模擬和試驗(yàn)相結(jié)合的方法，分析激光沖擊EH36焊件疲勞裂紋擴(kuò)展特性和激光沖擊強(qiáng)化前后Q345B表層質(zhì)量以及宏觀和微觀疲勞裂紋擴(kuò)展特性，旨在驗(yàn)證數(shù)值模擬預(yù)測激光沖擊EH36焊件疲勞裂紋擴(kuò)展的可行性和揭示激光沖擊Q345B疲勞延壽機(jī)理，主要研究內(nèi)容及結(jié)果如下:
　　(1)基于ABAQUS和MSC.Fatigue疲勞分析軟件，首次將焊接、激光沖擊和疲勞裂紋擴(kuò)展相結(jié)合，數(shù)值分析激光沖擊EH36焊件疲勞裂紋擴(kuò)展特性，并進(jìn)行試驗(yàn)

3、驗(yàn)證。(a)焊接經(jīng)歷金屬熔化、凝固和冷卻相變，溫度變化梯度大，焊縫區(qū)產(chǎn)生高幅殘余拉應(yīng)力;(b)激光沖擊EH36焊件工藝參數(shù)為2-2.5HEL（材料最高彈性應(yīng)力）峰值壓力、脈寬20ns、光斑直徑2.6mm、激光能量12J和50％搭接率時(shí)，EH36焊件表面獲得高幅、穩(wěn)定和低應(yīng)力梯度的殘余壓應(yīng)力，并消除和彌補(bǔ)激光單點(diǎn)沖擊造成光斑中心“殘余應(yīng)力洞”現(xiàn)象;(c)激光沖擊次數(shù)與EH36焊件CT（緊湊拉伸）試樣疲勞裂紋尖端殘余壓應(yīng)力和疲勞壽命呈正相關(guān)

4、關(guān)系，與疲勞裂紋擴(kuò)展速率呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。模擬結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果基本吻合表明數(shù)值模擬激光沖擊EH36焊件疲勞裂紋擴(kuò)展特性是可行的。
　　(2)試驗(yàn)研究激光沖擊Q345B低合金鋼表層質(zhì)量及其對疲勞性能的影響。(a) Q345B焊件熱影響區(qū)具有低的力學(xué)性能和焊縫具有良好的力學(xué)性能;激光沖擊誘導(dǎo)Q345B低合金鋼表層晶粒細(xì)化、位錯(cuò)、層錯(cuò)和形變孿晶，降低了試樣表面和缺口敏感性;(b) Q345B焊件表面不同區(qū)域顯微硬度與激光沖擊次數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系;

5、(c) Q345B焊件正面和背面不同區(qū)域表面殘余壓應(yīng)力與激光沖擊次數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系;(d)表面凹坑深度與激光沖擊次數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系，表面粗糙度與激光沖擊次數(shù)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。
　　(3)試驗(yàn)研究不同激光沖擊方式下Q345B低合金鋼宏觀和微觀疲勞裂紋擴(kuò)展特性。(a)與未沖擊試樣相比，單面1次、雙面1次和雙面3次激光沖擊試樣的疲勞裂紋擴(kuò)展速率逐漸降低和疲勞壽命逐漸增大;(b)當(dāng)a/W（CT試樣疲勞裂紋長度與寬度比值）較小時(shí)，相同疲勞裂紋張開位

6、移(COD)對應(yīng)的疲勞裂紋長度與激光沖擊試樣塑性變形程度（不同激光沖擊方式）呈正相關(guān)關(guān)系;(c)隨著激光沖擊試樣塑性變形程度增加，激光沖擊試樣疲勞裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展區(qū)尺寸逐漸增大和宏觀疲勞斷口凹凸不平更加明顯;(d)隨著激光沖擊試樣塑性變形程度增加，微觀疲勞斷口放射狀臺階逐漸增多、疲勞裂紋擴(kuò)展路徑更加曲折、疲勞臺階增大、平均疲勞條帶間距逐漸降低、二次裂紋逐漸增多、過渡區(qū)分界線越不明顯、韌窩更大更深和更多的撕裂玲。
　　數(shù)值分析激光沖擊焊