激光冲击强化金属表面位错密度和晶粒尺寸的研究

摘要

金属表面的微观组织对于它的耐磨损、耐腐蚀以及抗疲劳能力有很重要的影响。激光冲击强化能够改变金属表面的微观组织，激光冲击强化通过诱导冲击波作用于材料表面，在材料表面产生晶粒位错，提高材料的耐磨损、耐腐蚀以及抗疲劳能力。激光冲击强化可以用于金属材料表面的强化、结构的轻量化和表面的耐磨处理。目前，对于激光冲击强化的研究都是采用试验的方法，但对于激光冲击强化金属表面微观组织演变的仿真研究很欠缺。
　　本文旨在研究激光冲击强化后，LY2铝合金表面位错密度和晶粒尺寸的演变，建立基于ABAQUS软件的激光冲击强化有限元模型，用VISUAL STUDIO编写基于位错理论的微观组织演变模型，进行了有限元软件的二次开发，以材料子程序的形式将该模型嵌入到激光冲击强化有限元模型中，实现金属表面位错密度、晶粒尺寸的预测，仿真结果与试验结果有很好的一致性。运用该模型，研究了多种激光加工条件下微观组织演变规律，得到了加工参数与表面晶粒尺寸间的关系，为系统优化激光冲击强化工艺参数奠定了重要基础。论文主要内容及结论如下：
　　首先，运用ABAQUS软件建立激光冲击强化LY2铝合金的有限元模型。通过采用确当的材料模型、有限元建模方法以及微观组织演变模型，进行了有限元二次开发，将微观组织预测模型以材料子程序的形式嵌入激光冲击强化有限元模型中，描述激光冲击强化后金属表面位错密度和晶粒尺寸的演变，。
　　其次，通过调整微观组织演变模型中的相关参数，将仿真得到的激光单次冲击强化和激光多次冲击强化金属表面的位错密度和晶粒尺寸的结果与前人试验结果进行对比，验证仿真模型的准确性。
　　最后，将该基于位错理论的位错密度和晶粒尺寸的预测模型用来研究激光冲击强化的作用规律，包括随着冲击次数的变化，金属表面的位错密度和晶粒尺寸的变化以及严重塑性变形层深度的变化；材料种类的变化，位错密度和晶粒尺寸随深度的变化趋势；冲击波压力的变化，晶粒尺寸和位错密度的变化。结果表明，随着冲击次数的增加,塑性变形层的深度的增加长率和晶粒尺寸的变化率降低，特别是第四次冲击和第五次冲击；随着冲击波压力的增加，金属表层晶粒尺寸逐渐减小，位错密度逐渐增加；不同材料在相同情况下的晶粒尺寸和位错密度的变化趋势一致，但晶粒细化率不一致。

目录

声明

第一章 绪论

1.1研究背景

1.2 塑性变形机制

1.3激光冲击强化金属材料的微观机理的研究现状

1.4本课题研究意义和主要研究内容

第二章 激光冲击强化理论分析

2.1激光冲击强化的物理过程

2.2激光冲击波的形成以及压力的估算

2.3激光单次冲击强化铝合金的强化机制

2.4激光多次冲击强化铝合金的强化机制

2.5本章小结

第三章 激光冲击强化微观组织演变预测有限元建模

3.1有限元分析流程

3.2激光冲击强化有限元建模关键问题的解决

3.3微观组织演变模型

3.4微观组织演变模型参数

3.5本章小结

第四章 激光冲击强化微观组织仿真分析

4.1激光单次冲击强化微观组织预测

4.2激光多次冲击强化微观组织仿真分析

4.3不同材料的仿真对比分析

4.4本章小结

第五章 总结与展望

5.1主要结论

5.2工作展望

参考文献

致谢

硕士期间发表的学术论文