激光冲击TC4残余应力场的试验及有限元分析

为提高钛合金的疲劳强度,采用Nd:Glass强脉冲激光对TC4钛合金表面进行冲击强化处理,采用X射线应力仪对冲击区的残余应力场进行测试,并采用ABAQUS有限元仿真软件对其残余应力场进行分析计算.结果表明,激光冲击使材料表面残留较大幅度的残余压应力,当激光功率密度为3 GW.cm-2时,表面残余压应力值高达400 MPa,残余压应力层的深度约为0.6 mm.有限元分析结果与试验测试值有较好的一致性.不同激光功率密度下残余应力场的有限元分析结果表明,激光功率密度大于1.6 GW.cm-2,冲击区将产生残余压应力,随着功率密度的增加,残余压应力增加并趋于饱和,分析结果可为激光冲击工艺参数的优化提供理论依据.     

激光冲击718镍铬合金残余应力场试验及有限元分析

为提高718镍铬合金的疲劳强度,采用Nd:Glass强脉冲激光对其表面进行冲击强化处理.经X射线应力仪测试冲击区的残余应力场,利用Abaqus有限元软件,以Johnson-Cook(JC)模型作为本构关系,对其残余应力场进行分析计算.通过试验结果与仿真分析的对比,说明激光冲击能形成残余压应力层、提高疲劳寿命,选择JC模型作为本构关系是可行的,但由于应变率的差异,必须对JC模型材料参数数值进行优化,才能取得较精确的结果,并从激光冲击次数对残余应力场的分析进一步加以验证.结果表明,所提的JC模型材料参数优化方法简单易行.     

激光冲击Johnson-Cook模型材料参数优化

采用Abaqus有限元软件,建立激光冲击718镍铬合金诱发的残余应力场非线性弹塑性有限元模型,实现激光冲击强化残余应力场的数值仿真.通过仿真分析及试验结果对照,说明以Johnson-Cook模型作为本构关系是可行的,激光冲击能形成残余压应力层,提高疲劳寿命,但由于应变率的差异,必须对JC模型材料参数进行优化,才能取得较精确的结果,并从激光功率密度对残余应力场的分析进一步加以验证.结果表明,提出的JC模型材料参数优化方法简单易行.     

柱面零件喷丸强化残余应力场的数值模拟

为研究柱面零件喷丸强化残余应力场的分布规律,应用ABAQUS软件模拟了单粒球形弹丸冲击柱面曲线轮廓零件靶体过程。接触碰撞数值模拟采用动态接触对惩罚函数法,计算方法采用中心差分时间显式算法,模型加载模式采用弹丸速度加载,模拟获得了喷丸强化残余应力场和位移场的分布规律。柱面靶体喷丸时,靶体表面产生的周向残余压应力和轴向残余压应力不等,且表面周向残余压应力略小于表面轴向残余压应力;靶体上产生的最大周向残余压应力和最大轴向残余压应力出现在距靶体表面相同深度位置,但最大周向残余压应力略小于最大轴向残余压应力,而周向残余压应力层深度略大于轴向残余压应力层深度。     

激光冲击强化对Ti2AlNb合金微观组织及残余应力的影响

Ti2AlNb(O-Ti2AlNb)具有优异的力学性能,在航空发动机方面有远大应用前景.激光冲击强化(Laser Shock Peening,LSP)是一种先进的表面改性技术,能够在材料表面诱导产生高幅值、大深度的残余压应力,改善材料微观组织,提高材料抗疲劳、高温氧化等性能.本文采用激光冲击强化对Ti2AlNb合金进行表面改性,并研究其组织演变、残余应力以及高温环境对性能的影响.结果表明:激光冲击强化能够显著减小Ti2AlNb合金近表面的晶粒尺寸.显微硬度由冲击前的350 HV提升到395 HV;在冲击区域近表面产生了约-377 MPa的残余压应力;而在高温环境中,由激光冲击强化所诱导的材料近表面残余应力随时间逐渐释放,在600℃条件下,残余应力释放较为缓慢;而在720℃条件下,残余应力迅速释放.     

激光冲击处理对小孔构件残余应力场的影响

采用高功率 Nd：glass 激光器对 LY12CZ 铝合金小孔构件表面进行激光冲击强化处理,并对冲击区域进行残余应力场的测试与分析。结果显示,在激光功率密度为1．75 GW/cm2和光斑直径为6 mm 的强激光冲击作用下,冲击区域产生了残余压应力场,层深约1．2 mm,表面最大残余应力为-57 MPa,厚度方向上最大残余应力为-36 MPa。优化后的激光冲击处理工艺参数能够获得较好的残余应力场。     

30CrMnSiNi2A高强度钢激光冲击强化试验研究

利用激光冲击强化工艺对30CrMnSiNi2A高强度钢进行1次冲击试验,然后在优选的搭接率下进行了2次重复冲击处理,并对试件表面残余压应力进行了测量和对比.结果显示经激光冲击强化处理后试件表面具有较高的残余压应力,可达-1 250 MPa.最后对高强度钢激光冲击强化处理下的残余压应力影响层进行了预测.     

超声冲击对7075铝合金残余应力及微观组织的影响

利用ABAQUS软件模拟超声冲击强化过程,分析残余应力场的形成过程及表层残余应力的分布规律;采用单因素试验法,研究超声输出电流和振动系统阻抗阈值两个工艺参数对表层残余应力的影响规律,利用X射线衍射(X-ray diffraction, XRD)残余应力测试仪测量残余应力大小和分析残余应力分布规律,并与有限元分析结果进行对比,验证有限元模拟的合理性。在工具幅值为10μm,频率为28 kHz时,7075铝合金经超声冲击强化后,软件仿真结果:表面形成残余应力层厚度约100μm,最大残余应力值为-574 MPa,出现在表层深度60μm处。试验结果:表面形成残余应力层厚度约120μm,最大残余应力值为-330 MPa,出现在表层深度40μm处,仿真结果数值大于试验结果,但趋势保持一致。恒流源超声冲击强化中,电源输出电流及振动系统阻抗阈值对残余应力的大小和分布均有影响,其阻抗阈值的影响与仿真中幅值的影响更接近;在同样输出电流下,提高阻抗阈值可以在铝合金表层获得较大的残余应力,而阻抗阈值一定的情况,增大输出电流可以在铝合金较深层处获得较大的残余压应力。微观组织分析也直接反映了表面冲击强化的效果。     

激光冲击强化对42CrMo钢耐高温腐蚀性能的影响

采用高能量纳秒级脉冲激光,对42CrMo合金钢表面进行激光冲击强化处理,测定42CrMo钢在激光冲击强化后的残余应力、硬度及粗糙度,并对试样进行高温腐蚀试验,利用扫描电子显微镜(SEM)观察试样表面的微观形貌,研究激光冲击强化处理对42CrMo钢耐高温腐蚀性能的影响.结果表明:激光冲击强化后试样表面腐蚀形貌明显比未进行激光冲击处理试样更好.激光冲击强化后42CrMo钢耐高温腐蚀性能得到提升,主要是由于材料表面残余压应力层能够抑制材料表面氧化膜的脱落,提高其耐高温腐蚀性能.与小能量激光冲击相比,大能量冲击可以大幅度提高试样表层的残余压应力值,并提高残余压应力的影响深度.     

激光冲击强化对熔覆后TC4钛合金性能的提高

对TC4钛合金的熔覆试样进行激光冲击强化试验,比较了激光冲击强化前后试样的显微硬度、表面残余应力、显微组织和疲劳性能.TC4钛合金熔覆后,修复区表面残余拉应力为225 MPa,激光冲击强化消除了熔覆产生的拉应力,产生了449 MPa的残余压应力,在基体残留的压应力高达672 MPa;激光冲击强化后,修复区硬度由强化前的333 HV提高到381 HV.TEM显示:3次冲击后,在TC4材料表面形成了纳米晶层.对强化前后的激光熔覆试样进行高周疲劳试验,结果表明:激光冲击强化提高熔覆后钛合金疲劳强度达15.8%.经分析,冲击后细化晶粒和残余压应力对高周疲劳性能的提高起到了关键作用.     

双级过时效工艺对7050铝合金力学性能的影响

双级过时效是优化工业化大尺寸7050铝合金锻件综合性能的有效手段。对7050铝合金锻件进行双级过时效处理,研究第二级时效时间对其组织与力学性能的影响。结果表明,随着第二级时效时间的延长,晶界处析出相逐渐粗化,并由连续分布转变为断续分布,合金的硬度、屈服强度和抗拉强度随之降低,伸长率与断裂韧性逐渐升高,并且拉伸及断裂韧性测试样品的断裂模式从沿晶断裂向韧窝型断裂转变。当第二级时效时间延长至一定程度时,合金力学性能趋于平稳。为通过双级过时效工艺调控7050铝合金锻件的综合力学性能提供了研究基础和理论指导。     

强冲击载荷下战斗部材料的抗爆性能研究

为研究强冲击载荷下战斗部材料的抗爆性能,针对爆炸驱动结构的辅助装药防护层材料选择设计了一种分层结构,采用数值模拟的方法研究了不同材料组合形式的防护层结构在炸药作用下的爆炸驱动过程,对B炸药和黑火药作为辅助装药两种情况下不同金属防护层材料组合进行了静爆实验. 研究结果表明,隔爆性能最佳的2层45#钢+LY12铝合金形式防护层在B炸药起爆下发生较为明显的破坏,而隔爆性能最弱的3层全部为LY12铝合金的防护层在黑火药引燃作用下仍为完好壳体.      

超硬铝合金无缝管材挤压成形工艺优化

为了揭示大型铝合金无缝管材挤压成形中的关键技术问题,以7075铝合金为例,采用刚黏塑性有限元法分析工艺参数对铝合金管材挤压成形过程的影响。研究结果表明:随着成形温度增加,挤出模口处所受附加拉应力逐渐降低,但过高挤压温度反而会增大黏附力;随着挤压速度增大,所需挤压载荷明显增加,且管材挤出过程中金属变形流动的均匀性随之降低;在挤压温度为430℃、挤压速度为2 mm/s时进行工艺实验,一次性成形大型铝合金无缝挤压管材,且所得制品的表面质量良好,符合使用要求。     

微弧氧化对7050铝合金腐蚀行为的影响

采用微弧氧化(MAO)技术在7050铝合金表面制备了陶瓷膜层,运用扫描电子显微镜(SEM)和能谱分析仪(EDS)表征陶瓷膜微观结构,采用动电位极化曲线、电化学阻抗谱(EIS)和慢应变速率拉伸试验(SSRT)研究了微弧氧化膜对7050铝合金在3.5%(质量分数)NaCl水溶液中腐蚀和应力腐蚀开裂(SCC)行为的影响.结果表明:微弧氧化膜层由表面疏松层与内部致密层组成,表面疏松层主要由Al2O3组成,内部致密层由氧化铝与铝烧结而成.微弧氧化膜层可以有效抑制7050铝合金表面的腐蚀萌生及明显降低腐蚀速率,且使7050铝合金的应力腐蚀敏感性出现显著下降.     

过饱和7050铝合金固溶体中第二相粒子的析出动力学

利用差示量热法(DSC)并结合JMA方程与双峰分离法对过饱和7050铝合金固溶体中第二相粒子的析出动力学进行分析和计算。研究结果发现:GPⅠ区(367±1)K,η′相(507±1)K和η相(524±1)K的激活能分别为(76.5±0.6),(183.6±2.1)和(666.6±16)kJ/mol,常数k0分别为5.48×1010,5.48×1018和3.14×1066/s,同时得到了其相应的组织转变动力学方程。通过计算发现在本实验条件下,7050铝合金固溶淬火后在393 K时效的峰值时间约为280 h,而在453 K时效的峰值时间约为0.5 h。该计算结果与实验结果十分吻合,其对7050铝合金固溶淬火处理后的人工时效过程有一定的指导作用。     

半固态ZL201铝合金的压缩变形行为

采用Gleeble-1500热模拟机对用近液相线铸造方法制得的半固态ZL201合金进行了不同温度和不同应变速率下的压缩变形,并对实验结果进行了回归处理,建立了半固态ZL201合金在不同变形温度、不同应变速率下的数学模型.研究结果表明:当应变速率相同时,压缩应力随变形温度的增加而减小;当应变温度相同时,压缩应力随着应变速率的增加有先增大后减小的趋势.本实验可为半固态合金触变成形的数值模拟和优化半固态金属加工工艺参数提供基础数据.     

熔体超声处理对7050铝合金铸锭宏观偏析的影响

采用SPECTRO-MAXx立式直读光谱仪和Leica金相显微镜,研究超声外场下7050铝合金半连续铸锭中微观组织的演变规律及溶质元素Zn,Mg和Cu的宏观偏析行为。研究结果表明:熔体超声处理后的铸锭组织变得细小,混晶减少,溶质元素的宏观偏析程度得到弱化,且随着超声功率的增大,溶质元素分布更加均衡,在240 W超声功率作用下,Zn,Mg和Cu的偏析比由未加超声时的1.243,1.158和1.190分别降低为1.086,1.098和1.110;超声外场的引入使得液穴变浅,由铸锭收缩引起的溶质元素在枝晶间的横向流动作用减弱;晶粒的有效细化导致液固两相的相对运动速度减弱;溶质原子的扩散程度得到强化是超声弱化偏析的主要原因。     

强激光驱动微颗粒高速冲击下铝合金材料的动态力学行为

微颗粒冲击条件下铝合金材料的动态力学行为研究，对保障铝合金部件在极端环境下结构设计和安全防护性能至关重要. 针对2024铝合金材料，采用强激光驱动微颗粒高速冲击实验和数值模拟，研究其微弹道冲击行为. 首先通过强激光驱动微颗粒冲击实验，获得了常温条件下冲击过程中微颗粒的能量损失与铝合金板材冲击的局部变形行为，并对有限元模型进行了验证；基于相场动力学模拟，获得了接近熔点温度的固液共存铝合金的微结构特征，并建立了流固耦合计算模型，给出了不同温度下铝合金材料的冲击能量耗散特性、应力分布规律与变形失效行为. 数值模拟结果表明，动态加载下固液共存态铝合金中的流固耦合效应对铝合金的宏观动态力学行为有重要影响；固液共存铝合金材料的吸能效率更低，且由于固相枝晶的相互作用，使应力的传递路径发生明显变化.      

横肋截面类型对铝模板力学性能的影响

横肋是影响铝合金模板承载力的重要构造。为研究横肋截面类型对铝合金模板的力学性能,开展了梯形截面横肋的铝合金模板的三分点加载试验,并将其试验结果与采用abaqus软件的精确化建模得到的数值结果进行对比,验证了数值模拟的可靠性。并在此基础上,通过数值模拟研究了方形、工字形和T形3种横肋截面类型的铝合金模板力学性能。结果表明,铝合金模板在标准荷载作用下,其边肋的拉应变最大,属于危险截面。横肋截面类型是影响横肋自身乃至铝合金模板整体受力状态的关键因素,T形截面是单轴对称截面中最优的截面类型,方形截面是双轴对称截面中最优的截面类型,而双轴对称截面横肋的最大应力产生在横肋中间,可有效避免横肋两端焊接的薄弱处,双轴对称截面的横肋受力更合理,因此方形截面是最佳横肋截面类型。在横肋截面形状方面,与方形截面面积相比,T形和工形截面面积分别下降了41.9%和21.2%,T形截面是材料用量最少的横肋截面类型,可用于一些受力较小的结构,如小矮墙等结构处。