基于激光冲击的钛合金小孔构件残余应力分布及疲劳性能研究

摘要

孔结构往往是金属零部件上的应力集中环节，在外载荷的作用下孔角处极易萌生疲劳裂纹源，进而发生断裂，因此需要对孔结构进行强化处理。与传统的强化方式相比，激光冲击可以大幅度提高小孔构件的疲劳强度，在提高金属材料疲劳寿命方面具有重要的作用。然而，针对在不同的应力水平下进行疲劳试验时，激光冲击后小孔构件的疲劳性能仍需进行一步研究。
　　本文采用数值模拟与试验相结合的方法，研究激光冲击对TC4-DT钛合金小孔构件残余应力场分布及疲劳寿命的影响，并从断裂力学的角度入手，探索应力水平对强化后小孔构件疲劳损伤机制的影响。本文的主要研究内容及成果如下：
　　（1）对激光冲击能够提高小孔构件疲劳性能的作用机制进行了理论分析，从残余应力场的角度出发，对小孔构件疲劳寿命提高的深层原因进行了研究，结果表明：激光冲击诱导的残余压应力能够有效地降低小孔构件孔角处的应力强度因子幅以及裂纹张开的可能性，并且残余压应力的产生使得小孔构件的疲劳强度得以提高；
　　（2）以ABAQUS有限元分析软件为平台，研究小孔构件经不同激光参数冲击后残余应力场的分布规律。仿真结果表明，激光冲击层数、峰值压力以及激光脉宽的增大均可以有效地增加残余压应力影响层深度。以上三个因素在小孔构件的残余应力分布方面存在着相互协同的关系，在实际的激光冲击试验中需要兼顾考虑它们之间的关系。
　　（3）对3mm厚度的TC4-DT钛合金小孔构构件进行激光冲击强化试验，并且在不同的应力水平下对其进行疲劳拉伸试验。试验结果表明，激光冲击后试样的疲劳寿命得到显著地提高。但是疲劳试验中应力水平的不同，对强化前后双联试样的疲劳寿命产生一定的影响，随着应力水平的增大，激光冲击前后试样的疲劳寿命均出现下降的趋势，并且激光冲击后试样的疲劳寿命增益也出现下降趋势。
　　（4）通过对疲劳断口的微观形貌分析发现：试样未强化端断口上疲劳源出现在孔角处，在低应力水平下试样强化端断口上的疲劳源出现在孔壁中间部位，而在高应力水平下，试样强化端断口的孔壁方向上出现两个疲劳源；激光冲击能够有效地减小疲劳条带之间的间距。并且在应力水平不同的情况下，相同测量位置处激光强化端与未强化端断口上疲劳条带间距的比值也会有所差异，随着应力水平的增加，疲劳条带间距的比值不断增大，即裂纹扩展速率的比值不断增大。
　　本文采用数值模拟与试验相结合的方法，研究了激光冲击对小孔构件疲劳性能的影响，得到以下结论：选择合理的激光冲击参数可以有效地提高小孔构件的疲劳寿命；在不同的应力水平下，小孔构件的疲劳寿命会有所不同，并且强化后试样疲劳寿命提高的幅度也会出现差异。研究小孔构件在不同应力水平下的疲劳行为，对于提高钛合金小孔件的抗疲劳性能具有重要的意义。

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第一章 绪论

1.1 引言

1.2 激光冲击强化技术

1.3 金属疲劳损伤机制研究

1.4 本文的研究意义及主要内容

第二章 激光冲击强化理论分析与小孔构件的疲劳寿命

2.1 引言

2.2 激光冲击波加载下的残余应力

2.3 激光冲击强化诱导残余应力场与外载荷的相互作用

2.4 本章小结

第三章 激光冲击钛合金小孔构件残余应力场的仿真分析

3.1 引言

3.2 小孔激光冲击强化数值模拟方法及关键问题的处理

3.3 激光冲击对钛合金小孔构件残余应力分布的影响

3.4 本章小结

第四章 小孔构件激光冲击强化试验与疲劳性能

4.1 引言

4.2 试验设备

4.3 激光冲击强化试验

4.4 疲劳试验结果与分析

4.5 疲劳断口微观形貌分析

4.6 疲劳裂纹扩展理论分析

4.7 本章小结

第五章 总结与期望

5.1 总结

5.2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间承担科研情况及主要成果