激光噴丸強(qiáng)化鋁合金的疲勞裂紋擴(kuò)展特性及延壽機(jī)理研究.pdf

1、激光噴丸強(qiáng)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(shí)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(kuò)展速率、提高零件的疲勞壽命。目前對(duì)于裂紋件的激光噴丸延壽技術(shù)主要集中于試驗(yàn)研究，而對(duì)共性的機(jī)理研究相對(duì)匱乏，還未形成系統(tǒng)的激光噴丸誘導(dǎo)殘余壓應(yīng)力場(chǎng)下裂紋擴(kuò)展規(guī)律及其延壽機(jī)理的基本理論。本文對(duì)激光噴丸強(qiáng)化的裂紋擴(kuò)展特性進(jìn)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(qiáng)化處理

2、工藝，分析表面完整性對(duì)疲勞特性的影響，結(jié)合疲勞裂紋擴(kuò)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(xì)致地描述激光噴丸強(qiáng)化工藝的延壽機(jī)理，且對(duì)激光噴丸誘導(dǎo)殘余應(yīng)力場(chǎng)下的疲勞裂紋擴(kuò)展特性進(jìn)行數(shù)值模擬，本文的主要內(nèi)容有以下幾個(gè)方面:
　　 (1)提出了激光噴丸強(qiáng)化后疲勞裂紋擴(kuò)展壽命的計(jì)算方法及其估算式?；跀嗔蚜W(xué)的基本理論，探索了激光噴丸工藝對(duì)含裂紋件疲勞裂紋擴(kuò)展特性（包括疲勞裂紋擴(kuò)展門(mén)檻值、應(yīng)力強(qiáng)度因子、疲勞

3、裂紋擴(kuò)展速率、裂紋尖端張開(kāi)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(kuò)展壽命的估算公式;基于金屬物理的方法，通過(guò)對(duì)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(duì)金屬材料的疲勞裂紋擴(kuò)展特性及其疲勞壽命的增強(qiáng)機(jī)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(duì)疲勞特性的影響。進(jìn)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(cè)試，分析了不同噴丸次數(shù)及激光能量對(duì)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(jī)制;對(duì)激光噴丸后的表面形貌和表面粗糙度進(jìn)行了測(cè)試，分析了表面凹坑形貌、線粗糙度及面粗糙度變化對(duì)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(duì)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(cè)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(qiáng)化機(jī)制。
　　 (3)探索了激光噴丸強(qiáng)化工藝對(duì)工件殘余應(yīng)力和疲勞裂紋擴(kuò)展的影響。以單聯(lián)中心孔試樣為對(duì)象，通過(guò)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(qiáng)化工藝，通過(guò)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(duì)CT試樣疲勞裂紋擴(kuò)展特性的影響;研究了裂紋尖端張開(kāi)位移與疲勞裂紋擴(kuò)展速率、疲勞壽命之間的關(guān)系曲線，驗(yàn)證了裂尖張開(kāi)位移作為表征材料疲勞裂紋擴(kuò)展特性參量的可行性，為激光噴丸參數(shù)的選取和工藝準(zhǔn)則的制定提供基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。
　　 (4)深入分析了激光噴丸強(qiáng)化的疲勞斷口形貌特征，實(shí)現(xiàn)了疲勞擴(kuò)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(guò)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(kuò)展早期、裂紋擴(kuò)展中期、裂紋擴(kuò)展區(qū)與最終瞬斷區(qū)的過(guò)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(qiáng)化機(jī)制，研究了疲勞裂紋擴(kuò)展過(guò)程中裂紋前端停止-繼續(xù)微觀斷口形貌特征的產(chǎn)生機(jī)理;根據(jù)不同裂紋長(zhǎng)度處測(cè)得的疲勞條帶形貌，對(duì)比分析了宏觀裂紋擴(kuò)展速率和微觀裂紋擴(kuò)展速率，采用梯形法進(jìn)行疲勞擴(kuò)展壽命的斷口定量反推，驗(yàn)證斷口定量反推疲勞壽命的可行性;進(jìn)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(shì)。
　　 (5)構(gòu)建了以ABAQUS-MSC.Fatigue軟件為平臺(tái)的疲勞裂紋擴(kuò)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(duì)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(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)合MSC.Fatigue疲勞分析中的數(shù)據(jù)無(wú)縫對(duì)接，進(jìn)行了殘余應(yīng)力場(chǎng)下疲勞裂紋擴(kuò)展過(guò)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