激光冲击波诱导金属材料动静态应力应变特性研究

摘要

激光冲击波技术在工程领域的主要应用涉及激光冲击强化技术、激光冲击成形技术、激光冲击打标、激光冲击波检测膜基界面结合强度及材料动高压技术等,是当前科学研究前沿和激光先进制造技术的发展方向。激光冲击波瞬态冲击加载材料的动静态响应特性为数值仿真建模和物理模型构建提供必要的理论依据,是激光冲击波技术研究的重要内容和难点,亟待开展系统的研究与探讨。
　　 为此,本文运用电阻应变片和X射线衍射两种应力应变检测技术,开展了激光冲击波动态加载过程中材料的动态应力应变特性研究,开展了激光冲击后材料表面的残余应力状态及微观应力应变分布特性研究。主要研究内容如下:
　　 基于理想弹塑性材料模型,引入一维应变平面波理论,分析了激光冲击波作用下材料的动态响应过程。
　　 提出了激光冲击波诱导金属材料动静态应力应变特性检测方法。其核心思想是:利用STSS-1应力检测模块和电阻应变片采集激光单次冲击加载靶材背面的动态与静态应变信号,通过Johnson-Cook动态本构模型计算出相应的动态应力,用XRD技术检测靶材表面的残余应力。
　　 融合了动静态应力应变信息,建立了2024铝合金薄板靶材激光冲击波加载模型,并利用该模型描述了靶材内部应力波结构及传播规律,解释了冲击区域残余拉应力产生的原因。结果表明,激光冲击波压力远大于2024铝合金动态屈服强度的2.5倍和靶材厚度较薄2个条件同时存在是冲击区域残余拉应力产生的根源所在;得到了实验使用的2024铝合金屈服强度在392MPa左右。
　　 开展了2024铝合金激光冲击后材料表面残余应力状态(主应力及其方向角)理论与实验研究。结合二向应力状态单元体受力模型,利用X射线应力分析仪测量三个方向的残余应力,建立了主应力及其方向角的计算公式,分析了不同激光冲击参数(功率密度和冲击次数)在材料表面产生的残余应力状态分布规律。籍助应力状态软性系数分析了不同冲击参数产生的塑变量及塑变梯度分布规律。
　　 对2024铝合金激光冲击区域微观应力应变进行理论分析与实验研究。探讨了X射线衍射谱线宽化的物理本质,分析了半高宽、积分宽和显微硬度随冲击次数的变化规律,建立了激光多次冲击微观应力变化模型。研究表明,随着冲击次数增加,材料屈服强度改变,导致微观应力先减小后增加;发现了激光多次冲击区域亚晶粒的变化规律为晶粒内出现亚晶粒,再到亚晶粒细化,最后到晶粒细化,接着又在细化晶粒内出现更小尺寸的亚晶粒。