激光喷丸强化铝合金的疲劳裂纹扩展特性及延寿机理研究

摘要

激光喷丸强化技术利用高能短脉冲激光诱导的高幅冲击波压力实施表面改性，能有效改善金属材料中的应力分布和微观组织结构，从而有效延缓裂纹扩展速率、提高零件的疲劳寿命。目前对于裂纹件的激光喷丸延寿技术主要集中于试验研究，而对共性的机理研究相对匮乏，还未形成系统的激光喷丸诱导残余压应力场下裂纹扩展规律及其延寿机理的基本理论。本文对激光喷丸强化的裂纹扩展特性进行理论探讨，研究典型6061-T6铝合金单联中心孔试样和紧凑拉伸CT试样的激光喷丸强化处理工艺，分析表面完整性对疲劳特性的影响，结合疲劳裂纹扩展的宏观断裂力学性能和微观疲劳断口形貌，依据断裂发展的不同阶段，深入细致地描述激光喷丸强化工艺的延寿机理，且对激光喷丸诱导残余应力场下的疲劳裂纹扩展特性进行数值模拟，本文的主要内容有以下几个方面:
　　 (1)提出了激光喷丸强化后疲劳裂纹扩展寿命的计算方法及其估算式。基于断裂力学的基本理论，探索了激光喷丸工艺对含裂纹件疲劳裂纹扩展特性（包括疲劳裂纹扩展门槛值、应力强度因子、疲劳裂纹扩展速率、裂纹尖端张开位移及裂纹前沿塑性变形区尺寸）的影响;在综合考虑外加载荷及激光喷丸诱导的残余应力相互作用的基础上，基于Paris公式得出了激光喷丸前后疲劳裂纹扩展寿命的估算公式;基于金属物理的方法，通过对疲劳断口形貌特征的定量描述，分析了激光喷丸作用下裂纹件的疲劳应力及疲劳寿命反推的主要方法，为宏微观结合揭示激光喷丸对金属材料的疲劳裂纹扩展特性及其疲劳寿命的增强机制提供理论依据。
　　 (2)系统研究了激光喷丸铝合金表面的完整性及其对疲劳特性的影响。进行了不同激光喷丸工艺参数下铝合金表面及沿深度方向的纳米压痕测试，分析了不同喷丸次数及激光能量对纳米压痕接触深度和接触面积的影响，研究了激光喷丸提高铝合金表层纳米硬度和弹性模量的机制;对激光喷丸后的表面形貌和表面粗糙度进行了测试，分析了表面凹坑形貌、线粗糙度及面粗糙度变化对铝合金疲劳性能的影响;研究了激光喷丸CT试样诱导的残余压应力大小及其分布，分析了不同激光工艺参数对铝合金表面及深度方向残余应力分布规律的影响;测试了不同激光能量下激光喷丸后的显微组织结构，获得了多次激光喷丸6061-T6铝合金的微观强化机制。
　　 (3)探索了激光喷丸强化工艺对工件残余应力和疲劳裂纹扩展的影响。以单联中心孔试样为对象，通过轴向载荷、轴向位移与疲劳寿命的关系曲线，分析了不同激光喷丸次数、喷丸轨迹和激光能量与试样疲劳寿命的关系;在此基础上，研究了含预制裂纹CT试样的激光喷丸强化工艺，通过da/dN-△K及a-N关系曲线，分析了不同激光能量和喷丸轨迹对CT试样疲劳裂纹扩展特性的影响;研究了裂纹尖端张开位移与疲劳裂纹扩展速率、疲劳寿命之间的关系曲线，验证了裂尖张开位移作为表征材料疲劳裂纹扩展特性参量的可行性，为激光喷丸参数的选取和工艺准则的制定提供基础实验数据。
　　 (4)深入分析了激光喷丸强化的疲劳断口形貌特征，实现了疲劳扩展寿命的断口定量反推。以典型单联中心孔试样和CT试样为例，依据断裂过程发展的不同阶段，系统分析了不同激光喷丸次数、激光能量和喷丸轨迹下，试样在疲劳裂纹萌生区、疲劳裂纹扩展早期、裂纹扩展中期、裂纹扩展区与最终瞬断区的过渡区以及最终瞬断区的宏微观疲劳断口形貌特征及其微观强化机制，研究了疲劳裂纹扩展过程中裂纹前端停止-继续微观断口形貌特征的产生机理;根据不同裂纹长度处测得的疲劳条带形貌，对比分析了宏观裂纹扩展速率和微观裂纹扩展速率，采用梯形法进行疲劳扩展寿命的断口定量反推，验证断口定量反推疲劳寿命的可行性;进行了典型试样疲劳断口的三维形貌重建及其粗糙度分析，得到了疲劳断口的高度差、线粗糙度及面粗糙度的变化趋势。
　　 (5)构建了以ABAQUS-MSC.Fatigue软件为平台的疲劳裂纹扩展的数字化分析方法。编制专用ABAQUS/CAE的激光冲击波加载模块，对6061-T6铝合金单联小孔试样及CT试样在不同激光能量和喷丸轨迹作用下产生的残余应力场进行了数值模拟，结合MSC.Fatigue疲劳分析中的数据无缝对接，进行了残余应力场下疲劳裂纹扩展过程的数字化分析，获得了da/dN-△K及a-N的关系曲线;研究了不同激光能量和喷丸轨迹下，疲劳裂纹扩展不同时期驱动力方向上的残余压应力分布对裂纹扩展的抑制性。表明模拟分析与实验结果的一致性较好，为激光喷丸诱导残余应力场下疲劳裂纹扩展特性的预测提供了一种有效的方法。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 疲劳裂纹扩展特性研究概况

1．3 激光喷丸强化延寿特性研究现状

1．3．1 激光喷丸强化技术的工程应用

1．3．2 激光喷丸强化延寿机理研究

1．3．3 工艺参数对激光喷丸后疲劳特性的影响

1．3．4 激光喷丸疲劳裂纹扩展特性的数值模拟

1．4 本课题研究意义和主要内容

1．4．1 研究意义

1．4．2 研究内容

论文说明

第二章 激光喷丸强化疲劳裂纹扩展的理论分析

2．1 线弹性断裂力学中的基本概念

2．1．1 裂纹尖端弹性应力场和位移场

2．1．2 应力强度因子

2．1．3 裂纹扩展能量释放率

2．1．4 能量释放率与应力强度因子关系

2．2 疲劳裂纹扩展规律

2．2．1 疲劳裂纹扩展速率的断裂力学描述

2．2．2 疲劳裂纹扩展的微观机理

2．3 激光喷丸对疲劳裂纹扩展特性的影响

2．3．1 激光喷丸对应力强度因子的影响

2．3．2 激光喷丸对疲劳裂纹扩展门槛值的影响

2．4 激光喷丸前后的疲劳裂纹扩展寿命估算

2．4．1 外加载荷诱导的应力强度因子K1

2．4．2 激光喷丸后残余压应力诱导的应力强度因子K2

2．4．3 未喷丸CT试样的疲劳裂纹扩展寿命估算

2．4．4 激光喷丸后CT试样的疲劳裂纹扩展寿命估算

2．5 裂纹张开位移准则

2．5．1 裂纹张开位移方法概述

2．5．2 裂纹张开位移试验设计

2．6 激光喷丸后的疲劳断口定量分析方法

2．6．1 断口定量反推疲劳应力主要方法

2．6．2 断口定量分析疲劳寿命的主要方法

2．6．3 疲劳条带的测量方法

2．7 本章小结

第三章 激光喷丸强化试样的表面完整性研究

3．1 试验材料厦方法

3．2 纳米硬度和弹性模量分析

3．2．1 纳米压痕测试设备及方法

3．2．2 表面不同区域的纳米压痕分析

3．2．3 深度方向的纳米压痕分析

3．2．4 不同喷丸次数下的纳米压痕分析

3．2．5 不同激光能量下的纳米压痕分析

3．3 表面形貌和粗糙度分析

3．3．1 表面形貌及粗糙度测试设备及方法

3．3．2 单点激光喷丸后的表面形貌

3．3．3 单点激光喷丸后的表面粗糙度

3．3．4 多点搭接激光喷丸后的表面形貌

3．4 残余应力分析

3．4．1 残余应力测试设备及方法

3．4．2 单面及双面激光喷丸强化后的残余应力分布

3．4．3 不同喷丸次数下沿深度方向的残余应力

3．4．4 CT试样激光喷丸诱导的残余应力的分布

3．5 微观组织分析

3．5．1 微观组织性能测试设备及方法

3．5．2 单点激光喷丸后的微观组织

3．5．3 多点搭接激光喷丸后的微观组织

3．5．4 激光喷丸后微观组织的演变机制及强化机理

3．6 本章结论

第四章 激光喷丸强化的疲劳裂纹扩展实验

4．1 单联中心孔试样的疲劳拉伸实验

4．1．1 试验方法及测量设备

4．1．2 喷丸次数对疲劳寿命的影响

4．1．3 喷丸轨迹对疲劳寿命的影响

4．1．4 激光能量对疲劳寿命的影响

4．2 含预制裂纹CT试样的疲劳裂纹扩展实验

4．2．1 试验方法及测量设备

4．2．2 不同激光能量下的疲劳裂纹扩展特性

4．2．3 不同喷丸轨迹下的疲劳裂纹扩展特性

4．3 CT试样裂尖张开位移和裂纹张开位移分析

4．4 疲劳裂纹扩展实验结果与理论计算的对比

4．5 本章小结

第五章 激光喷丸强化的疲劳断口形貌分析

5．1 单联中心孔试样的疲劳断口形貌

5．1．1 疲劳断裂各区的断口特征

5．1．2 激光喷丸次数对疲劳裂纹萌生和扩展性能的增益机理

5．2 CT试样疲劳断口的形貌特征分析

5．2．1 不同激光能量下疲劳断口的宏观和微观形貌特征

5．2．2 不同激光喷丸轨迹下疲劳断口的宏观和微观形貌特征

5．3 疲劳断口的定量分析

5．3．1 宏观裂纹扩展速率与微观裂纹扩展速率

5．3．2 断口定量反推疲劳应力

5．3．3 断口定量反推疲劳寿命

5．4 疲劳断口的三维形貌及粗糙度

5．5 本章小结

第六章 激光喷丸强化疲劳裂纹扩展的数值模拟

6．1 激光喷丸强化残余应力的数值模拟方法

6．1．1 ABAQUS软件的功能模块

6．1．2 残余应力模拟中关键问题的处理

6．2 单联中心孔试样疲劳特性的数值模拟

6．2．1 不同激光能量作用下的残余应力

6．2．2 不同喷丸路径下的残余应力

6．2．3 激光喷丸后疲劳特性的有限元分析

6．3 CT试样疲劳裂纹扩展特性的数值模拟

6．3．1 不同激光能量下的疲劳裂纹扩展特性

6．3．2 不同喷丸路径下的疲劳裂纹扩展特性

6．4 本章小结

第七章 总结与展望

7．1 全文总结

7．2 尚待解决的问题与前景展望

参考文献

攻读博士学位论文期间的科研情况

1 发表论文

2 授权专利

3 申请专利

4 承担与参加课题

致谢