激光沖擊波誘導(dǎo)金屬薄板動態(tài)響應(yīng)與殘余應(yīng)力形成機制研究.pdf

1、激光沖擊強化技術(shù)因具有高應(yīng)變率、高壓等特點被廣泛用于金屬材料表面改性，激光沖擊工藝參數(shù)與金屬材料表面壓應(yīng)力的大小及分布密切相關(guān)。定量調(diào)控金屬材料表面殘余應(yīng)力，突破激光沖擊工藝參數(shù)對材料表面殘余應(yīng)力影響的常規(guī)工藝研究，是當前激光沖擊強化技術(shù)的研究前沿與熱點。本文針對激光沖擊波誘導(dǎo)金屬薄板動態(tài)響應(yīng)與殘余應(yīng)力形成機制開展了相關(guān)理論和實驗研究，為激光沖擊波定量調(diào)控薄壁件表面殘余應(yīng)力提供了理論依據(jù)和技術(shù)支持。本文核心思想是：研究激光沖擊波在金屬薄

2、板中的傳播機制；在ns尺度探究激光沖擊過程中金屬材料表面的動態(tài)應(yīng)變特性；研究激光參數(shù)、動態(tài)響應(yīng)、表面殘余應(yīng)力分布之間的相關(guān)性，探索表面殘余應(yīng)力的形成機制；結(jié)合X射線衍射分析，探究微觀組織結(jié)構(gòu)與殘余應(yīng)力分布內(nèi)在的對應(yīng)關(guān)系。根據(jù)核心思想，本文以具有較好塑性的7050鋁合金和較高強度的690高強鋼為例進行了理論驗證和實驗研究，獲得的主要結(jié)論和創(chuàng)新成果如下：
　　1）改進并完善了激光沖擊波特性測試的原理和方法，以690高強鋼薄板為例，首次

3、綜合正反兩面的動態(tài)響應(yīng)，建立了“激光沖擊波傳播模型”；結(jié)合模型中沖擊波的傳播機制，以ANSYS/LSDYNA為平臺，對激光沖擊7050鋁合金和690高強鋼薄板進行了數(shù)值建模，研究了不同時刻應(yīng)力波的位置狀態(tài)、傳播規(guī)律及殘余應(yīng)力分布，并用激光單點沖擊實驗驗證了仿真模型的有效性。
　　“激光沖擊波傳播模型”描述了縱向壓縮波、反射波、透射波、反向拉伸波、剪切波、表面稀疏波和表面Rayleigh波的傳播過程，比較全面的闡述了激光沖擊波在69

4、0高強鋼薄板中的傳播機制。在數(shù)值模擬中，定義反射邊界條件后，應(yīng)力波在仿真模型側(cè)面發(fā)生反射與透射，產(chǎn)生“殘余應(yīng)力洞”現(xiàn)象；定義無反射邊界條件后，應(yīng)力波在仿真模型側(cè)面僅發(fā)生透射，殘余應(yīng)力場呈“雙軸分布”，同時也獲得了激光功率密度、光斑尺寸、脈寬對7050鋁合金和690高強鋼薄板表面“殘余應(yīng)力洞”影響的規(guī)律，最后激光單點沖擊實驗結(jié)果表明仿真模型有效。
　　2）基于“激光沖擊波傳播模型”并結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果，定義表面動態(tài)應(yīng)變測試的邊界條件，

5、首次構(gòu)建了“激光沖擊加載金屬薄板表面動態(tài)應(yīng)變模型”，并給出測試方法；通過實驗驗證了上述模型的準確性和可靠性，同時首次發(fā)現(xiàn)了高應(yīng)變率條件下金屬薄板的動態(tài)力學(xué)響應(yīng)規(guī)律。
　　根據(jù)PVDF壓電傳感器測得7050鋁合金、690高強鋼薄板的表面動態(tài)應(yīng)變，結(jié)合剪切波在兩種薄板中的衰減規(guī)律可知，當激光功率密度小于等于12.7GW/cm2，剪切波和表面Rayleigh波不產(chǎn)生耦合，這是表面動態(tài)應(yīng)變模型的邊界條件；通過激光沖擊兩種金屬薄板所測實驗數(shù)

6、據(jù)，證明了“激光沖擊加載金屬薄板表面動態(tài)應(yīng)變模型”準確可靠，同時證實了在高應(yīng)變率下兩種金屬材料的動態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線均存在彈性階段、屈服階段、強化階段，與靜力拉伸條件下的靜態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線類似。
　　3）基于金屬薄板動態(tài)應(yīng)變特性，首次開展了激光沖擊工藝參數(shù)、動態(tài)響應(yīng)、表面殘余應(yīng)力分布之間的相關(guān)性研究，探索了金屬薄板表面殘余應(yīng)力的形成機制；以7050鋁合金為研究對象，開展了殘余應(yīng)力洞形成機制研究，通過數(shù)值模擬結(jié)合實驗驗證，探索

7、了稀疏波、縱波對產(chǎn)生“殘余應(yīng)力洞”現(xiàn)象的影響。
　　采用不同功率密度的激光沖擊7050鋁合金和690高強鋼薄板，當功率密度為1.53 GW/cm2時，兩種薄板表面最大殘余主應(yīng)力呈雙軸分布；當功率密度為1.98 GW/cm2和2.77GW/cm2時，兩種薄板表面最大殘余主應(yīng)力產(chǎn)生“殘余應(yīng)力洞”現(xiàn)象；當功率密度為4.07GW/cm2時，7050鋁合金薄板最大殘余主應(yīng)力分布均勻，而690高強鋼薄板表面殘余主應(yīng)力仍產(chǎn)生“殘余應(yīng)力洞”現(xiàn)象。

8、當激光加載能量較小時，表面稀疏波與橫向變形共同作用導(dǎo)致兩種薄板表面最大殘余主應(yīng)力呈雙軸分布。隨著激光能量的增大，當邊界條件設(shè)定為反射邊界條件時模擬結(jié)果與實驗結(jié)果具有良好的一致性，稀疏波向光斑中心匯聚是7050鋁合金薄板表面形成“殘余應(yīng)力洞”的主要原因；變化鋁合金薄板的板厚并測試其表面殘余應(yīng)力分布，結(jié)合動態(tài)應(yīng)變曲線可知，在表面稀疏波與來回反射的縱波共同作用下，導(dǎo)致光斑中心區(qū)域薄板產(chǎn)生了較大的剪切塑性應(yīng)變，降低了激光沖擊波加載階段產(chǎn)生的軸向

9、和徑向塑性變形，7050鋁合金薄板表面產(chǎn)生了“殘余應(yīng)力洞”現(xiàn)象。
　　4）以具有較高強度的690高強鋼為研究對象，研究了激光沖擊強化690高強鋼薄板表面微觀組織特征及誘導(dǎo)納米化形成機理，以“Bragg衍射峰寬化”為間接指標，探究了薄板微觀結(jié)構(gòu)和表面殘余應(yīng)力的相關(guān)性；再以易產(chǎn)生“殘余應(yīng)力洞”現(xiàn)象的塑性材料7050鋁合金薄板為研究對象，將激光微織構(gòu)工藝與激光沖擊強化相結(jié)合，對7050鋁合金薄板進行激光復(fù)合加工，調(diào)控薄板表面的殘余應(yīng)力分

10、布。
　　實驗結(jié)果及分析表明，690高強鋼原始組織形貌為珠光體，在激光誘導(dǎo)高應(yīng)變率條件下材料產(chǎn)生更多的微結(jié)構(gòu)缺陷，有利于馬氏體形核，馬氏體轉(zhuǎn)變量隨著應(yīng)變率的提高而增加，同時其晶粒不斷細化；表面電子衍射花樣最初為條狀，最終為連續(xù)的同心圓，此時晶粒取向隨機，尺寸基本上在50nm-200nm之間。激光沖擊690高強鋼薄板表面所對應(yīng)的Bragg衍射峰發(fā)生了寬化，檢測結(jié)果與表面TEM形貌的分析一致。7050鋁合金薄板試樣選取功率5W、相離的