激光温喷丸强化Ti6Al4V航空钛合金的残余应力释放行为及疲劳特性

摘要

激光温喷丸强化（Warm Laser Peening，简称WLP）是由激光喷丸/冲击强化发展而来的新的材料表面处理工艺，其结合了热力耦合效应在应力强化和组织强化方面的诸多优势，能够获得比常温激光喷丸强化技术更稳定的残余压应力分布，既能大幅提高材料的疲劳强度，又能抑制疲劳裂纹的萌生与扩展，在航空航天等工业领域的关键零部件制造中有潜在而广泛的应用。
　　本文以退火态的Ti6Al4V/TC4航空钛合金为研究对象，采用理论分析、数值模拟结合相关实验的方法，研究激光温喷丸诱导的残余压应力的分布特性及释放行为，探索激光温喷丸对低周疲劳寿命与高周疲劳寿命的影响规律，并通过断口形貌对其断裂机理进行分析。论文研究工作主要有以下几个方面:
　　理论方面，根据位错动力学、应力释放理论以及金属疲劳与断裂学，研究表面形变强化抗疲劳技术诱导的残余压应力场对材料疲劳特性的影响;分析了激光温喷丸过程中位错的结构变化以及热力耦合作用下塑性变形的微观机理;研究了动态应变时效过程中溶质原子及柯氏气团等对位错运动的影响，从而获得了激光温喷丸诱导的位错密度模型;探索了低周疲劳与高周疲劳条件下材料内部残余应力的释放机理，并对激光温喷丸诱导残余压应力的稳定性进行了分析。
　　数值模拟方面，使用有限元软件ABAQUS对激光温喷丸诱导的残余压应力及释放行为进行了数值模拟研究，并对激光温喷丸数值模拟过程中使用到的关键技术和解决方案进行了探索;系统分析了温度对激光温喷丸诱导残余压应力幅值、深度等分布特性的影响，阐述了激光温喷丸诱导的残余压应力在低周疲劳条件下的释放行为。
　　实验方面，进行了典型试样的激光温喷丸系列实验及其结果的分析与检测，探索了激光喷丸温度对诱导Ti6Al4V钛合金残余压应力场分布特性的影响规律，验证了数值模拟的有效性;从低周及高周疲劳两个方面，研究了不同温度条件下激光温喷丸诱导残余压应力的释放行为以及单联中心孔拉伸试样的疲劳寿命;结合试样断口的宏微观形貌，分析了激光温喷丸对材料断裂形式及疲劳特性的影响。
　　研究结果表明，激光温喷丸在最佳喷丸温度下可以优化残余压应力的分布，提高Ti6Al4V钛合金表面残余压应力的稳定性，并通过提高材料的屈服强度在降低裂纹扩展速率的同时增加材料的断裂韧性，大幅改善材料的疲劳寿命。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景

1．2 航空钛合金抗疲劳技术研究现状

1．3 激光温喷丸强化技术

1．3．1 技术原理

1．3．2 技术特点

1．4 激光温喷丸强化技术研究进展

1．5 本课题的主要研究内容及手段

第二章 激光温喷丸钛合金残余应力释放及疲劳延寿的理论基础

2．1 表面形变强化抗疲劳技术的理论基础

2．1．1 残余压应力对材料疲劳极限的影响

2．1．2 残余压应力对疲劳裂纹扩展门槛值的影响

2．1．3 残余压应力对疲劳裂纹扩展速率的影响

2．2 表面形变强化抗疲劳技术的影响因素

2．3 热力耦合作用下激光温喷丸强化的理论基础

2．3．1 位错强化机制

2．3．2 应力强化机制

2．4 循环载荷下残余应力释放的理论基础

2．4．1 低周疲劳过程残余应力的释放机理

2．4．2 高周疲劳过程残余应力的释放机理

2．5 本章小结

第三章 激光温喷丸Ti6Al4V残余压应力及其释放的数值分析

3．1 激光温喷丸数值分析简介

3．1．1 有限元数值分析方法简介

3．1．2 激光温喷丸数值分析中的关键问题

3．2 激光温喷丸诱导残余应力场的数值分析

3．2．1 有限元模型建立

3．2．2 激光温喷丸诱导的残余应力分布

3．3 激光温喷丸诱导残余压应力的释放特性

3．3．1 低周疲劳加载方法

3．3．2 低周疲劳条件下残余压应力的释放特性

3．4 本章小结

第四章 激光温喷丸Ti6Al4V残余应力释放及疲劳实验

4．1 激光温喷丸实验关键技术

4．1．1 吸收层与约束层

4．1．2 激光温喷丸实验装置

4．1．3 试样装夹方法

4．2 激光温喷丸诱导的残余应力场

4．2．1 试样及实验方法

4．2．2 激光温喷丸诱导的残余应力分布

4．3 残余应力释放实验

4．3．1 试样及实验方法

4．3．2 低周疲劳条件下的残余应力释放实验

4．3．3 高周疲劳条件下的残余应力释放实验

4．4 疲劳寿命及断口分析

4．4．1 试样及实验方法

4．4．2 低周疲劳寿命及断口分析

4．4．3 高周疲劳寿命及断口分析

4．5 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 总结

5．2 展望

参考文献

致谢

硕士期间发表学术论文及其他科研成果