奥氏体钢表面的激光冲击纳米化及其微观机理研究

摘要

激光冲击作为一种全新的表面强化技术,利用其超高应变率和超高能量,通过调整约束条件和各种参数,可以达到在金属材料表面获得纳米结构的目的。
　　 采用输出波长为1064nm、脉冲宽度为20ns、输出能量25J、光斑直径为5mm的调Q钕玻璃激光,对AISI201、AISI304不锈钢板进行了激光冲击,在距表面300μm的冲击区范围内,激光冲击在样品表面形成了平均晶粒尺寸约为20-50nm的纳米晶。用热场发射扫描电镜和透射电镜分析了激光冲击后样品表面的微结构演变,研究了纳米化行为的机理及其对硬度的影响。结果表明:表面纳米化层硬度比基体提高36％。
　　 围绕激光冲击表面纳米化现象,讨论了约束状态和激光冲击的高压、高能、超快以及超高应变率与材料响应之间的关系,提出了两个共性问题。激光冲击时,当被冲击材料本身与表面自由约束层能完全约束受冲击区域表面的宏观形变,而不影响强化效应时,称为应变屏蔽,材料内部产生了大量的应变微结构；反之,当被冲击材料不能约束冲击能量而产生宏观形变时,称为约束击穿,此时冲击效果以塑性变形为主。通过对这两个共性问题的认识,以应变屏蔽为理论基础,探讨了激光冲击纳米化的微观机理。在超高能量,超短时间和超高应变率的激光冲击作用下,纳米晶形核需要的驱动力及温度条件并不具备,并且形核和长大所需要的扩散转移过程无法实现,所以利用现有的纳米化机制无法解释激光冲击纳米化过程,因此奥氏体钢表面的激光冲击纳米化过程只能是一种“外能量激活”条件下的自组织分化机制,即在激光冲击超高应变率和超高能量作用下的晶粒碎化与晶内缺陷共同作用的结果。
　　 由于本试验所使用的激光束能量成高斯分布,所以决定了其加载特征的不均匀性,从而导致单次冲击材料表层组织的微观不均匀性。通过进一步对冲击表面残余压应力和表面硬度分布规律的分析表明,在产生“应变屏蔽”现象的冲击条件下,冲击区主要由纳米晶体组成,但也包括其它形变组织；连续多次冲击可以克服单次冲击的不均匀性,使材料表面的受冲击作用区域变得更加均匀,从而获得均匀的纳米晶表层以ANSYS和ANSYS／LS-DYNA为平台,建立了奥氏体不锈钢激光冲击强化的有限元模型,依次进行了单次冲击应力场,多次冲击应力场,全约束与半约束模型应力场的模拟分析。研究表明:有限元模拟得到的激光冲击残余应力场与激光冲击加载特性具有较好的一致。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 课题的研究目的与意义

1.2 金属表面的纳米化

1.2.1 材料表面纳米化的方法

1.2.2 金属表面纳米化的机制

1.2.3 奥氏体不锈钢表面自纳米化的研究现状

第二章 激光冲击技术(LSP)

2.1.激光冲击处理技术的发展概况

2.1.1 国外发展概况

2.1.2 国内发展概况

2.2 激光冲击处理的技术原理及特点

2.3 本文的主要研究内容

第三章 激光冲击强化处理试验研究

3.1 试验材料

3.2 试样材料的处理过程

3.3 主要试验设备

3.3.1 激光冲击设备

3.3.2 试验检测设备

第四章 试验结果与分析讨论

4.1 激光冲击奥氏体钢表面宏观形貌

4.2 激光冲击奥氏体钢表面的微结构演变

4.3 激光冲击奥氏体钢表面的纳米化

4.4 激光冲击表面的应力测试

4.4.1 奥氏体不锈钢受冲击表面的残余应力测试原理

4.4.2 测试结果

4.5 硬度测试结果

4.6 本章小结

第五章 激光冲击奥氏体钢表面纳米化的微观机理

5.1 激光冲击约束体系与能量对材料的影响

5.1.1 激光冲击中的约束体系

5.1.2 激光冲击中的“应变屏蔽”与“约束击穿”

5.2 激光冲击中“应变屏蔽”与奥氏体钢表面的纳米化

5.2.1 表面纳米化结构的SEM形貌

5.2.2 奥氏体钢表面纳米化微观机理的分析与讨论

5.3 本章小结

第六章 激光冲击处理的微观不均匀性及表面应力场的模拟

6.1 激光冲击波加载的不均匀性

6.2 冲击表面残余应力分布的不均匀性

6.3 冲击表面硬度分布的不均匀性

6.4 激光冲击奥氏体不锈钢残余应力场的数值模拟

6.4.1 冲击强化有限元模型的建立

6.4.2 残余应力场的模拟结果

6.5 激光冲击次数以及边界条件对残余应力场影响的数值模拟

6.5.1 激光冲击次数对残余压应力场影响的数值模拟

6.5.2 边界条件对对残余压应力场影响的数值模拟

6.6 本章小结

第七章 总结和展望

7.1. 总结

7.2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表论文