双面激光同时冲击条件下板料厚度对镁合金拉伸性能的影响

摘要

镁合金因其密度小(1.8g/cm3左右)，比强度高、刚性高等特点，广泛应用于航空航天、化工、汽车等工业领域，通过优化镁合金表面组织结构和性能可以有效提高镁合金表层综合力学性能，表面处理技术是实现结构和性能提高的有效途径。激光冲击强化(LSP: Laser ShockProcessing)是一种新型的表面强化技术，能够在金属表面形成较深的残余压应力层，从而提高金属材料的表层机械性能。对于有一定厚度的金属薄板，一方面需要提高激光冲击强化效果，同时还需避免冲击所产生的试样宏观变形。针对以上问题，本文采用有限元软件模拟了双面激光同时冲击过程中板料厚度对镁合金残余应力场的影响规律，并获得对应的拉伸曲线。然后采用不同冲击方式对不同厚度的AM50镁合金平板拉伸试样进行冲击实验，分析和表征其拉伸曲线及微观断口形貌，获得了以下主要结论和创新性成果:
　　(1)利用有限元软件ABAQUS模拟双面激光同时冲击过程中板料厚度对镁合金残余应力场的影响规律。系统研究了板料厚度对双面激光同时冲击强化效果的影响机理，对比分析了不同模型沿表面径向和轴向的残余应力分布，得出双面同时冲击时的最佳理想厚度。结果表明:在激光光斑直径，脉冲宽度，峰值压力不变的情况下，随着板料厚度增大，模型内部的残余压应力分布渐趋均匀和有规律，残余压应力影响深度逐渐变深，当板料厚度达到某一阈值后，两者都达到饱和。在1600MPa激光峰值压力、3mm光斑半径和57ns压力脉冲宽度工艺参数下，双面激光同时冲击AM50镁合金薄板的理想厚度为4mm及以上。
　　(2)采用高能纳秒激光对不同厚度AM50镁合金试样进行单面单次冲击和双面同时冲击，再依次对冲击后的试样分别进行拉伸试验，得到拉伸（应力-应变）曲线。对比分析激光单次冲击与双面同时冲击后试样的应力-应变曲线，系统研究了试样厚度及冲击方式对试样拉伸性能的影响机理，得出双面同时冲击时镁合金平板试样的理想厚度并与模拟所得结果对比验证。结果表明:随着试样厚度的变厚，双面激光同时冲击在材料内部产生的残余拉应力层在逐步缩小，表面残余压应力逐步变大。当厚度达到4mm后，其内部残余应力场达到饱和，表面残余压应力起主导作用，极限拉伸应力达到最佳，值为179.6MPa，此时双面同时冲击试样后的拉伸性能优于单次冲击试样的拉伸性能，与模拟所得结果相吻合。经双面同时冲击后4mm厚AM50镁合金试样的最大拉力(强度极限*截面积=7.185KN)更与5mm单面单次冲击试样的最大拉力(7.175KN)相当。
　　(3)采用相同工艺参数的脉冲激光束对4mm厚AM50拉伸试样分别进行未冲击、单面冲击、双面同时冲击处理，再对其进行拉伸试验，并利用扫描电镜(SEM)观察断口的微观形貌。获得了三种不同方式处理后试样的拉伸（应力-应变）曲线，研究其微观结构对试样拉伸性能的影响机理;测量双面同时冲击试样冲击区域的显微硬度及表面残余压应力，分析并得出最佳的冲击方式。结果表明:在激光工艺参数不变的情况下，采用双面激光同时冲击方式冲击处理AM50拉伸试样，强化效果最佳。未冲击试样，单面冲击试样的拉伸断裂形式主要为准理解断裂，双面同时冲击试样为典型韧性断裂，断口表面布满蜂窝状韧窝，相互之间的联结更加紧密牢靠，拉伸性能较单次冲击试样有很大提升。双面同时冲击后试样表面的显微硬度约为80.3HV，相对于基体显微硬度40HV，提高了一倍。双面激光同时冲击AM50镁合金试样后表面的残余应力值为-182.5MPa(误差±16.8 MPa)，相对于单面冲击后的表面残余应力值-146MPa，提高了25％。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 镁合金特性、发展现状及其应用

1．3 国内外激光冲击处理金属结构件的发展及研究现状

1．4 激光冲击强化金属板材方式的发展

1．4．1 激光单面单次冲击处理金属板材

1．4．2 激光单面多次叠加冲击处理金属板材

1．4．3 激光双面冲击处理金属板材

1．5 本课题的研究意义和主要内容

第二章 激光冲击强化的相关理论研究

2．1 激光冲击置化原理

2．2 激光冲击波形成与诱导残余应力场机理

2．3 X射线衍射法测量应力原理

2．4 有限元法概述

2．5 激光冲击强化有限元理论基础

2．5．1 激光冲击强化力学模型

2．5．2 显式有限元方程求解算法

2．5．3 隐式有限元方程求解算法

2．5．4 有限元方程

2．6 塑性金属试样拉伸(应力-应变)曲线

2．7 金属拉伸断裂形式

2．7．1 解理断裂

2．7．2 准解理断裂

2．7．3 韧性断裂

2．8 本章小结

第三章 双面激光同时冲击AM50镁合金板料的厚度分析

3．1 研究背景

3．2 有限元模型建立

3．2．1 有限元分析原理

3．2．2 AM50镁合金材料力学特性

3．2．3 2D轴对称计算模型

3．2．4 网格细化

3．2．5 加载曲线及其边界条件

3．2．6 分析步长及其增量

3．3 残余应力场数值分析

3．3．1 单面冲击AM50镁合金的残余应力场

3．3．2 板材厚度对双面激光同时冲击时所产生残余应力的影响机理

3．3．3 定量分析模型内部的最大残余压应力和拉应力

3．3．4 定量分析沿模型的表面径向方向的残余应力曲线

3．3．5 定量分析沿模型的轴向深度方向的残余应力曲线

3．4 结论

第四章 双面激光同时冲击处理对AM50拉伸性能的影响

4．1 研究背景

4．2 试验步骤

4．2．1 试样准备

4．2．2 激光冲击试验

4．2．3 拉伸试验

4．2．4 微观硬度和表面残余应力测试

4．2．5 断口形貌

4．3 实验结果与分析

4．3．1 不同厚度单面单次冲击试样拉伸性能对比分析

4．3．2 不同厚度试样双面同时冲击后拉伸性能对比分析

4．3．3 各个厚度试样单面单次冲击与双面激光同时冲击后拉伸性能对比分析

4．3．4 采用三种不同方式对4mm厚试样激光冲击后拉伸性能分析

4．3．5 断口形貌分析

4．3．6 双面同时冲击试样表面微观硬度及残余应力

4．3．7 板料厚度对双面激光同时冲击效果的影响机理

4．4 结论

第五章 总结与展望

5．1 总结

5．2 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间的研究成果