中国学术杂志网

铝合金圆杆件强化研究

 论文栏目:铝合金论文     更新时间:2018/4/4 11:13:55   

摘要:激光冲击强化技术是利用方向和能量高度集中的激光束作为工具,对材料进行表面强化改性,是近年来快速发展的构件延寿技术。文中运用数值模拟的方法对铝合金圆杆件进行激光冲击强化,分析圆杆被激光冲击作用后,应力波在其内部沿纵向和径向的衰减特性,探讨单点多次冲击后铝合金圆杆件表面残余应力场的分布情况。

关键词:激光冲击强化;数值模拟;铝合金圆杆件;残余应力

引言

文中用于增强铝合金圆杆件的表面力学性能,通过激光冲击强化在圆杆件表面产生一层有益的残余压应力,这层残余压应力可以明显增强材料的抗疲劳和耐腐蚀性能,延缓构件表面裂纹的扩展速率,从而提高铝合金圆杆件的力学性能和疲劳寿命。

1激光冲击强化原理

图1为激光冲击处理的示意图,通过高功率(GW/cm2级)、短脉冲(ns级)的强激光诱导产生的冲击波作用在材料表面[1-2],当激光束透过透明的约束层作用在覆盖材料表面的吸收层上时,材料表面的吸收层瞬间气化电离产生高温、高压等离子,等离子持续吸收激光能量发生膨胀,因约束层的存在,限制了等离子体的膨胀,导致等离子体爆炸而产生了向材料内部传播的冲击波,即激光应力波,当应力波的峰值压力足够大时,使得材料表层组织发生变化,并在材料的表层形成弹性变形,同时使材料表层产生高密度位错、晶粒细化,并伴有残余压应力生成,从而改善材料的疲劳特性和力学性能[3-4]。激光强化的实质是应力波与材料相互作用产生的结果,约束层可提高冲击波的峰值压力及作用时间,吸收层一方面吸收脉冲能量产生等离子体,另一方面保护材料表面免受激光的热损伤。

2圆杆件的有限元模型

选取材料为2024铝合金,运用ABAQUS有限元软件建立2024铝合金圆杆件的有限元模型,由于试样模型和激光冲击应力均呈中心对称分布,所以为了提高运算效率,精简模型,只需建立模型的一部分进行模拟运算即可[5-6]。图2为直径6mm、长度3mm的1/2铝合金圆杆模型。本构模型采用Johnson-Cook模型,这种模型能很好地反映应变率因素对靶材塑性变形的影响,关系清晰且参数较少,非常适合定义高应变率下的金属材料[7-8]。ABAQUS/Explicit模块中自带有此种模型,可以直接调取使用。J-C模型的关系式表示为(1)式中:σ为VonMises应力;ε为等效塑性应变;ε0为相对等效塑性应变率,取ε0=1;A,B,C为材料常数。本次采用2024铝合金为模型材料,其力学性能参数及J-C模型参数如表1所示[9]。

3模拟结果与分析

3.1动态应力

在ABAQUS/Explicit的后处理器中,可以显示模型中激光诱导应力波在圆杆内的传播过程。图4所示为杆中的应力波动态云图,由图可以看到,在初始时刻0ns时,激光冲击波还未加载到圆杆上端面,圆杆内没有应力产生。从0~20ns之间,激光冲击波开始加载到圆杆上端面,上端面材料受到压应力作用内部产生了膨胀波沿着圆杆纵向传播,膨胀波的波形呈现“扁平”状。随着激光诱导的冲击波继续传播,在140ns时可以看到在光斑边界处,激光冲击波发生了分化,形成了一部分沿径向向光斑中心汇集的剪切波和一部分沿径向向外传播的“瑞利波”,这时候冲击波的波形像似一个“半球状”向圆杆内部扩展。经过对波在材料中的传播情况观察发现,相同时刻膨胀波的位置一直在剪切波和“瑞利波”的前面,说明在三种不同的波中,膨胀波的传播速度最快。在220ns时刻,在杆中心部位汇集了许多剪切波,而且波的形状像似一个扁平的“八”字形,这个时刻“瑞利波”的位置在圆杆的边界处,经过边界材料的反弹作用,往反方向的圆杆中心汇集,经过280ns的时间,剪切波到达圆杆中心,这时候剪切波逐渐汇集到圆杆中心处,剪切波的形状像似一个大头的“人”字形,从280ns以后膨胀波和剪切波汇合一起向圆杆底部传播,在480ns时刻传播到圆杆底部区域。图5所示为圆杆中,应力波沿轴向和径向方向传播的动态应力。由图5可知,对于给定杆径,应力波沿轴向传播时,随着传播距离的增大,近似为指数规律衰减,因靶材的硬化作用,应力波的波形被缓慢拉长,出现所谓波的“弥散”现象[10],在杆的径向方向同样出现此种现象,应力波强度逐渐减弱,是由于材料内部固有的黏性使冲击波随着传播距离的增大产生了不可逆的能量损耗[11]。

3.2单点冲击残余应力分布

图6为直径6mm,长度3mm的圆杆件,在单点冲击下的残余应力云图。单点冲击次数分别为1次、2次、3次和4次。圆杆端面单点多次冲击轴向和径向残余应力分布图,如图7所示,由图可知,激光冲击后在圆杆表面产生了大约367MPa的残余压应力,从图7(a)可以看出随着冲击次数的增加,圆杆深度方向的残余压应力存在的深度越来越深,1次、2次、3次和4次冲击后残余压应力存在的深度分别为0.8、1.0、1.2、1.3mm,通过比较分析可以得到,随着冲击次数的增加,圆杆内残余压应力存在的深度逐渐加深,而当激光冲击强化次数增加到三次时,残余压应力增加的速率逐渐减小,当单点冲击次数达到一定值时,圆杆内残余压应力的深度将不再增加。通过图7(b)可以得出,单点多次冲击对铝合金圆杆径向方向的影响不是很明显,只是多次冲击后在光斑边缘处产生的有害残余拉应力逐渐增大,所以单点多次冲击情况下,需要既考虑轴向残余压应力深度的增加,又要防止在冲击光斑边缘产生较大的残余拉应力。

4结论

文中利用ABAQUS有限元软件,对2024铝合金圆杆经激光作用后的动态响应进行了模拟,模拟了激光诱导的应力波在圆杆中沿轴向和径向的衰减规律,研究圆杆端面单点多次冲击时,残余应力在轴向和径向的分布规律。得到以下结论:1)激光冲击作用后,圆杆内的应力波在圆杆轴向和径向存在同样的衰减规律,而且在圆杆中产生了波的“弥散”现象。2)单点多次冲击下,随着冲击次数的增加,圆杆内残余压应力存在的深度逐渐加深,而当激光冲击次数增加到3次时,残余压应力增加的速率逐渐减小,当单点冲击次数达到一定值时,圆杆轴向残余压应力的深度将不再增加;多次冲击后圆杆表面光斑边缘处的有害残余拉应力逐渐增大。所以单点多次冲击情况下,需要既考虑轴向残余压应力深度的增加,又要防止在冲击光斑边缘产生较大的残余拉应力。

作者:李明明 单位:安徽工业大学 机械工程学院

学术网收录7500余种,种类遍及
时政、文学、生活、娱乐、教育、学术等
诸多门类等进行了详细的介绍。

铝合金论文
@2008-2012 学术网
出版物经营许可证 音像制品经营许可证
主机备案:200812150017
值班电话
0825-6697555
0825-6698000

夜间值班
400-888-7501

投诉中心
13378216660
咨询电话
唐老师:13982502101
涂老师:18782589406
文老师:15882538696
孙老师:15982560046
何老师:15828985996
江老师:15228695391
易老师:15228695316
其它老师...
咨询QQ
89937509
89937310
89903980
89937302
89937305
89937307
89937308
业务
综合介绍
在线投稿
支付方式
常见问题
会员评价
官网授权
经营许可
关于我们
网站简介
版权声明
友情链接
人员招聘
联系我们