裂纹尖端激光修复试件疲劳性能研究

摘要

在目前的工业生产过程中，疲劳是机械零部件失效破坏的最主要形式。尤其是当零部件在生产、运输和使用的过程中产生初始裂纹，更容易引发疲劳破坏，造成重大经济损失。在此背景下，寻找能够及时快速有效的裂纹修复方式显得格外重要。激光修复技术以其独特的快速加热、冷却，热影响区小的优点进入人们的视线，提供一种新型裂纹修复工艺。在本文中，采用304不锈钢制成含预制裂纹紧凑拉伸(CT)试样，在裂纹尖端添加不同粉末并通过激光进行熔融修复，研究试件修复后的疲劳性能。 首先，采用有限元软件ABAQUS分别对原试件和未添加粉末激光修复试件模型进行分析，得到残余应力强度因子、有效应力比等参数，采用修正后的Paris公式评价未添加粉末激光修复工艺对试件疲劳性能的改变情况。同时建立裂纹尖端添加304不锈钢粉末激光修复模型，与未添加粉末工况下的数值分析结果进行对比，探究添加粉末对修复效果的影响。 然后，在试件裂纹尖端分别添加304不锈钢粉末和5%纳米WC与304不锈钢复合粉末，用CO2激光器对试件熔融修复，将这两组试件和未添加粉末激光修复试件、原试件一起开展疲劳裂纹扩展实验，比较各组试件的疲劳寿命。应用扫描电子显微镜观测试件微观组织和断口形貌，对疲劳裂纹扩展结果做出相应解释。结果表明：未添加粉末激光修复会使修复区产生大量弥散性缩孔缺陷，加上残余拉应力的作用，试件疲劳性能降低；添加304不锈钢粉末激光修复能够细化晶粒尺寸，减弱残余拉应力的影响，从而抑制疲劳裂纹扩展，提升疲劳性能；添加5%纳米WC与304不锈钢复合粉末激光修复会进一步优化修复区晶粒形态，但同时可能会产生气孔和未熔物团聚等缺陷，使得试件疲劳裂纹扩展速度分布不均衡。而观察断口表面发现试件疲劳裂纹萌生区位置存在差异，但都能够观测到疲劳破坏的微观形貌特征。 最后，基于有限元软件ABAQUS二次开发，建立裂纹尖端激光修复分析平台。通过RSG对话框构造器开发出Origin_Specimen、LaserRepair_Specimen_TEMP、LaserRepair_Specimen_STRESS、LaserRepair_Specimen_Redistribution等插件，用来计算试件在不同裂纹长度和应力加载下的裂纹尖端应力强度因子、分析试件修复后温度场和应力场以及模拟裂纹长度改变后残余应力重分布，实现参数化分析问题，减少操作流程，提高效率。

目录

声明

1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 常用裂纹修复工艺研究现状

1.2.2 激光修复技术研究现状

1.2.3 疲劳研究现状

1.3 本文研究内容

2 疲劳断裂及金属凝固基础理论

2.1 常见裂纹形式

2.2 疲劳破坏过程

2.2.1 疲劳裂纹的萌生

2.2.2 疲劳裂纹的扩展

2.3 疲劳裂纹扩展速度

2.4 激光修复组织凝固理论

2.5 本章小结

3 未添加粉末激光修复数值分析

3.1 数值模拟的意义

3.2 选取评价参数

3.3 激光热源模型

3.3.1 选择激光热源模型的意义

3.3.2 确定合适的热源模型

3.4 有限元模型的建立

3.4.1 建立有限元模型前提

3.4.2 三维模型及网格划分

3.4.3 赋予材料属性

3.4.4 设置分析步

3.4.5 设置边界条件

3.4.6 工艺参数选择

3.4.7 热源模型准确性验证

3.5 模拟结果与分析

3.5.1 原试件应力强度因子幅值

3.5.2 激光修复试件残余应力场模拟结果

3.5.3 激光修复试件不同裂纹长度下塑性区分布

3.5.4 激光修复试件不同裂纹长度下残余应力强度因子

3.5.5 激光修复试件不同裂纹长度下有效应力比

3.5.6 基于疲劳裂纹扩展实验验证有限元方法的正确性

3.6 本章总结

4 添加304不锈钢粉末激光修复数值分析

4.1 有限元模型的建立

4.1.1 三维模型及网格划分

4.1.2 设置材料参数

4.1.3 设置分析步及边界条件

4.1.4 选择工艺参数

4.2 模拟结果与分析

4.2.1 修复区温度场分布及其对凝固特征的影响

4.2.2 熔体存在时间对比

4.2.3 残余应力对比

4.2.4 残余应力强度因子对比

4.3 本章总结

5 激光修复后疲劳性能实验研究

5.1 实验材料

5.1.1 基体材料

5.1.2 粉末材料

5.2 实验方法和设备

5.2.1 激光修复实验

5.2.2 疲劳裂纹扩展实验

5.2.3 微观组织观测和断口分析实验

5.3 实验结果及分析

5.3.1 疲劳裂纹扩展实验结果

5.3.2 微观组织分析结果

5.3.3 断口分析结果

5.4 本章结论

6 裂纹尖端激光修复分析平台的建立

6.1 ABAQUS二次开发及Python语言

6.2 确定集成方式

6.3 裂纹尖端激光修复分析平台开发流程

6.3.1 图形用户界面设计

6.3.2 代码实现

6.3.3 实现插件注册

6.4 分析平台的测试验证

6.5 分析平台运行结果

6.6 本章小结

结论

参 考 文 献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢

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