时效铝合金的激光冲击强化数值模拟与实验研究

摘要

本论文采用数值模拟、实验研究与理论分析相结合的方法，探索了6061铝合金的时效-激光冲击表面强化新技术，以此改变表面残余应力状态，构筑新的表面微观结构，发展高性能铝合金表面残余应力与微观结构的调控方法与理论，突破现有制备技术瓶颈，为制备出高性能铝合金材料提供技术与理论指导。
　　以ABAQUS分析软件为平台，通过捆绑约束将基体材料和析出第二相颗粒连接起来，建立了Mg2Si/Al材料的有限元模型，分析了激光冲击波在Mg2Si/Al材料中的传播规律及其内部能量变化规律。结果表明，纳米颗粒的存在阻碍了压力冲击波的传播，使内部能量与总激光冲击能量的比值增大，从而导致更多的能量以塑性应变和残余压应力的形式存储于材料中。另外，计算模拟了纳米颗粒取向及其形状对激光冲击Mg2Si/Al表面残余应力的影响规律。当增强颗粒水平取向时，较不含颗粒(171.68MPa)时峰值残余压应力提高了53.00%；当增强颗粒垂直取向时，峰值残余压应力比不含颗粒时提高了66.85%；当增强颗粒混合取向时(即颗粒一半水平取向，一半垂直取向)，峰值残余压应力增加了约100.57%。在所有参数不变的情况下，激光两次叠加冲击后的残余压应力比一次冲击后的残余压应力提高了约20.05%，而且残余压应力极值出现的位置距离冲击表面的距离随着冲击次数的增加而增大。
　　通过激光冲击强化时效铝合金试验，研究分析了激光冲击强化处理对时效铝合金表面形貌、残余应力、微观组织和宏观力学性能(显微硬度、抗拉强度及断后伸长率)的影响规律。激光冲击强化诱导时效铝合金表面发生塑性变形，形成了表面残余压应力，其变化规律与数值模拟结果基本一致，这也验证了通过有限元方法建立的Mg2Si/Al激光冲击强化模型的有效性。激光冲击强化处理有效改善了时效铝合金的宏观力学性能，随着时效处理时间的延长，激光冲击强化处理试样的显微硬度、抗拉强度都有所提高，而延伸率逐渐降低，断口处韧窝逐渐变少变浅。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1 引言

1.2 时效铝合金的基本概况及其应用前景

1.3 激光冲击强化原理及其发展近况

1.4 有限元数值模拟仿真技术

1.5 本课题的研究目的及其意义

1.6 本课题研究的内容

第二章 激光冲击时效铝合金的数值分析

2.1 引言

2.2 ABAQUS软件简介

2.3 有限元建模过程中几个关键问题的处理

2.4 激光冲击时效铝合金残余应力场有限元模拟分析

2.5 纳米颗粒取向及其形状对残余应力的影响

2.6 不同冲击次数对残余应力及位移量的影响分析

2.7 本章小结

第三章 激光冲击强化时效铝合金实验研究

3.1 实验材料准备及方法

3.2 激光冲击强化实验系统及其检测仪器

3.3 试验方法

3.4 实验结果及分析

3.5 本章小结

第四章 激光冲击强化时效铝合金的拉伸性能及断口形貌研究

4.1 拉伸试样制备方法

4.2 固溶时效处理工艺

4.3 激光冲击强化处理试验

4.4 拉伸试验

4.5 激光冲击强化对拉伸行为的影响

4.6 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

本文研究的创新点

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间科研成果