基于激光冲击机理的裂纹面闭合与疲劳性能改善特性研究

摘要

在分析国内外零部件裂纹表面强化研究的基础上，提出了基于激光冲击波压应力效应的裂纹面止裂与强化机制研究。其原理是利用高功率密度(GW/cm2量级)、短脉冲(ns量级)的强激光冲击覆盖在裂纹表面的能量转换体，使其瞬间气化电离，产生等离子体爆炸，形成高压冲击波传入工件内部，从而使裂纹面材料在冲击波的力效应作用下强化并闭合。本文研究裂纹面激光冲击强化处理工艺，对7050铝合金的预制裂纹试件、小孔试件和无损试件进行对比试验，研究激光冲击对试件的疲劳影响规律；并对高温运行环境下钢铁冶炼球团装备材料00Cr12激光冲击复合强化，通过对比关键零部件裂纹在中高温条件下的疲劳扩展寿命、断口形貌和高温力学性能，阐述裂纹激光强化与止裂机理，取得了一些创新成果。
　　 创新点与效果：
　　 (1)激光处理工艺：提出了脉冲激光连续冲击止裂延寿的工艺方法。在激光冲击止裂机理分析的基础上，研究了工艺参数对裂纹面强化效果的影响，获得了实现激光冲击处理的参数优选和最佳工艺方法。研制了适用于工程应用的激光冲击新型涂层配方材料和涂层喷涂设备，解决了脉冲激光连续冲击止裂延寿工程应用的技术难点，获得了实现脉冲激光连续冲击处理的最佳工艺方法为采用流动水膜作为约束层、铝箔胶带作为吸收层；
　　 (2)理论研究：建立了反映裂纹面二维和三维应力强度因子变化的权函数关系式，得到了任意裂纹面载荷引起的边缘裂纹应力强度因子。采用有效应力强度因子理论，定量分析了激光冲击后裂纹扩展速率与应力强度因子范围变化关系，实现了超高应变率塑性形变对合金表面裂纹的扩展速度影响及寿命的预测，并给出了具有置信度和可靠度的疲劳寿命分析结果；
　　 (3)试验研究：以7050-T7451铝合金疲劳试件为对象，对裂纹面进行了激光冲击止裂效和强化实验。通过冲击强化前后的铝合金疲劳试件断口和金相组织的分析，研究了激光冲击后疲劳裂纹的扩展速率及其断裂特征，得到了激光冲击对疲劳裂纹扩展的影响及其规律，获得了激光冲击作用对板料裂纹扩展的影响新的理论模型，表明激光冲击强化可以显著提高裂纹件的疲劳寿命。在95％置信度和99％可靠度条件下，相对于未激光强化试样，270Mpa应力水平的单面冲击和双面冲击试样寿命分别增长196％和129％；67.3Mpa应力水平的预制裂纹试件安全疲劳寿命增长287％；101.3Mpa应力水平的小孔试件安全疲劳寿命增长338％；
　　 (4)应用研究：把激光冲击强化止裂延寿理论和方法成功应用于工程实践。创新提出针对链篦机关键零部件制造的低温渗铝与激光冲击强化复合处理工艺及理论，从裂纹闭合的概念出发，估算残余应力对裂纹闭合的影响，制定了相应的裂纹扩展速率计算及损伤件再制造等工艺准测，解决了链篦机设计制造系列中的技术难点，大幅提高了链篦机整机的使用寿命，产生了良好的经济效益，研究成果获2009年国家科技进步奖二等奖。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 研究背景及选题意义

1.2 裂纹面激光冲击处理技术

1.2.1 技术原理

1.2.2 技术特点

1.3 国内外研究现状与发展趋势

1.3.1 研究现状

1.3.2 发展趋势

1.4 主要研究内容

第二章 激光冲击力学机理与参数选择

2.1 引言

2.2 激光冲击力学机理

2.2.1 激光辐照效应

2.2.2 材料对激光吸收

2.2.3 激光对材料加热

2.2.4 激光冲击波形成

2.3 激光冲击试验设计及参数选择

2.3.1 冲击设备选择

2.3.2 激光参数选择

2.3.3 实验装置设计

2.4 冲击参数对裂纹面强化效果

2.4.1 功率对强化效果的影响

2.4.2 脉宽对强化效果的影响

2.4.3 约束层涂层对强化效果影响

2.5 本章小结

本章相关的部分研究成果：

第三章 激光荷载下裂纹面应力因子模拟与计算

3.1 引言

3.2 应力因子数值模拟

3.2.1 分析模型

3.2.2 裂纹萌生及扩展

3.3 激光荷载下二维应力因子计算

3.3.1 冲击区应力强度因子

3.3.2 有效应力强度因子

3.3.3 应力因子计算结果

3.4 激光荷载下三维应力因子计算

3.4.1 三维应力因子模型

3.4.2 三维应力因子求解

3.4.3 应力因子修正

3.5 本章小结

本章相关的部分研究成果：

第四章 激光冲击铝合金裂纹试件疲劳寿命及扩展规律

4.1 引言

4.2 激光载荷下裂纹扩展速率估算

4.2.1 激光冲击单元模型

4.2.2 冲击载荷下应力强度因子

4.2.3 激光冲击后裂纹扩展速度

4.3 铝合金试件激光冲击强化

4.3.1 试验准备

4.3.2 疲劳寿命分析

4.3.3 疲劳试件断口分析

4.3.4 裂纹扩展路径观察

4.3.5 裂纹扩展规律

4.4 本章小结

本章相关的部分研究成果：

第五章 激光强化链篦机试件裂纹疲劳寿命及扩展规律

5.1 引言

5.2 激光冲击常温高频试验

5.2.1 实验准备

5.2.2 疲劳极限计算

5.2.3 结果处理和分析

5.3 中高温复合强化

5.3.1 渗铝处理

5.3.2 渗铝对高温氧化影响

5.3.3 激光复合处理对疲劳性能影响

5.4 激光处理高温延寿

5.4.1 高温裂纹扩展试验

5.4.2 温度对疲劳性能影响

5.5 激光强化残余应力分析

5.5.1 残余应力对裂纹扩展的影响

5.5.2 残余应力对裂纹闭合影响

5.5.3 耐热钢表面残余应力的松弛规律

5.6 本章小结与实施效果

本章相关的部分研究成果

第六章 全文总结

参考文献

攻读博士学位论文期间的科研情况

致谢