激光沖擊處理對(duì)金屬結(jié)構(gòu)件機(jī)械性能及斷口形貌作用機(jī)理研究.pdf

1、激光沖擊強(qiáng)化(LSP:Laser Shock Processing)作為一種新型的表面強(qiáng)化技術(shù),具有高壓(GPa～TPa)、超快(幾十納秒)、超高應(yīng)變率(107～108 S-1,比爆炸成形高出100倍)等顯著特點(diǎn),廣泛應(yīng)用在金屬結(jié)構(gòu)件的表面改性上。斷口是材料斷裂后形成的自然表面,如實(shí)反映金屬結(jié)構(gòu)件從裂紋萌生、裂紋擴(kuò)展,直到斷裂分離的斷裂動(dòng)態(tài)變化過(guò)程,并且斷口形貌特征還是斷口分析的主要依據(jù)。研究激光沖擊強(qiáng)化前后金屬結(jié)構(gòu)件的斷口形貌能夠獲得

2、激光沖擊強(qiáng)化對(duì)金屬結(jié)構(gòu)件斷裂性能的影響規(guī)律,建立斷口形貌與金屬結(jié)構(gòu)件機(jī)械性能之間強(qiáng)關(guān)聯(lián)關(guān)系。本文從激光沖擊路徑、機(jī)械性能(殘余應(yīng)力、表面粗糙度、硬度)、斷口形貌以及疲勞拉伸性能這幾個(gè)方面對(duì)激光沖擊強(qiáng)化金屬結(jié)構(gòu)件力學(xué)性能及微觀斷口開(kāi)展研究,取得了如下主要結(jié)論和創(chuàng)新性工作:
　　 (1)開(kāi)展了不同沖擊路徑下激光沖擊對(duì)航空鋁合金表面粗糙度、疲勞性能和斷口形貌的研究,獲得了合適的激光沖擊路徑和相應(yīng)的工藝準(zhǔn)則:
　　 對(duì)航空鋁合金

3、7050-T7451采用兩組雙面激光沖擊路徑,即雙面激光沖擊兩路和雙面激光沖擊四路(一路激光光斑的搭接率為50％,路與路之間不搭接)。發(fā)現(xiàn)雙面激光沖擊四路的表面粗糙度總體上比兩路的要小,基于Locati階梯式加載法進(jìn)行疲勞測(cè)試,雙面激光沖擊四路的疲勞壽命提高。用掃描電鏡觀察發(fā)現(xiàn),雙面激光沖擊四路的疲勞裂紋源與試樣表層的距離更大,斷口形貌更光亮細(xì)致；在疲勞裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展區(qū),雙面激光沖擊四路的解理臺(tái)階的層次和疲勞條帶的數(shù)目要多得多、輝紋間距更

4、小,出現(xiàn)了更多的二次裂紋,斷口韌窩也增多。研究結(jié)果表明:雙面激光沖擊四路能夠更明顯地降低表面粗糙度、抑制表面裂紋產(chǎn)生和降低疲勞裂紋擴(kuò)展速率,從而提高鋁合金的疲勞壽命。
　　 (2)研究了單面與雙面激光沖擊處理兩種沖擊路徑下航空鋁合金殘余應(yīng)力的分布,獲得殘余應(yīng)力分布對(duì)機(jī)械性能的影響規(guī)律:
　　 采用X-350A殘余應(yīng)力測(cè)試儀,測(cè)量?jī)煞N路徑下LY2鋁合金試樣深度方向的殘余應(yīng)力,建立殘余應(yīng)力和疲勞性能之間的關(guān)系。研究結(jié)果表明:

5、殘余壓應(yīng)力層出現(xiàn)在LY2鋁合金試樣表層,單面激光沖擊兩次的疲勞壽命明顯高于單面單次沖擊的疲勞壽命。雙面激光沖擊處理薄件的疲勞壽命比未處琿試樣高,但是低于單面激光沖擊試樣,疲勞壽命下降。金屬結(jié)構(gòu)件的疲勞性能依賴(lài)于表面和內(nèi)部殘余應(yīng)力的分布。采用雙面激光沖擊強(qiáng)化對(duì)厚板進(jìn)行處理效果會(huì)好。
　　 (3)研究了單面與雙面激光沖擊對(duì)金屬結(jié)構(gòu)件機(jī)械性能和斷口形貌的影響,建立斷口形貌與機(jī)械性能之間的關(guān)系模型:
　　 以橇裝式液化天然氣(L

6、NG)汽車(chē)加氣站的儲(chǔ)罐為對(duì)象,開(kāi)展了激光沖擊強(qiáng)化提高不銹鋼激光焊接接頭機(jī)械性能的影響研究。對(duì)ANSI304不銹鋼厚板激光焊接試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn),得到不同激光沖擊路徑處理對(duì)厚板焊縫機(jī)械性能的影響,用掃描電鏡(SEM)觀察試樣斷口形貌的變化。研究結(jié)果表明:經(jīng)單面激光處理后,激光焊接試樣的屈服強(qiáng)度是240.74 MPa,拉伸強(qiáng)度是683.10 MPa。雙面激光處理的激光焊接試樣的屈服強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度分別為是318.18 MPa和763.10 MP