激光冲击对小孔疲劳寿命的影响_毕业论文(编辑修改稿)

激光冲击对小孔疲劳寿命的影响_毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

(内壁带干态润滑膜 )在挤压前预先套在芯棒小径部位。 挤压孔时 ， 先将芯棒和衬套一起插入孔中并使枪头牢固对准工件 ；启动拉枪后 ， 活塞回收 ， 芯棒穿过衬套 ， 通过衬套间接挤压孔壁。 图 冷挤压工 ]6[艺 由下表可见 ,加套挤压孔的疲劳寿命比直接芯棒挤压约高 20% ,而出口端的孔边凸台高度仅为直接挤压的 37% ,加套挤压效果明显优于直接芯棒挤压。 文中加套挤压试 验是在从美国疲劳公司引进的开缝衬套挤压孔设备上进行的。 安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书 8 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 表 11 直接芯棒挤压与加套挤压试验结果比较 挤压方式 孔边凸台高度（ mm） 疲劳寿命（ kc） 入h 出h 直接芯棒挤压 177 加套挤压 214 表中 h入和 h出是冷挤压后在孔的入口和出口引起的孔边凸台高度，它对装配质量 有显著影响。 图 冷挤压产生的孔边凸台 机械喷丸技术 机械喷丸成形是 20世纪 50年代随着飞机整体壁板的应用 ， 在喷丸强化工艺的基础上发展起来的一种工艺方法。 它用以成形外形变化平缓的蒙皮类钣金件 ， 这些零件可以是等厚板、变厚度板和带筋整体壁板 ， 是飞机工业成形整体壁板和整体厚蒙皮零件的主要方法之一。 随着对激光器功率、脉宽、冲击波引起的应力波的波阵面形状等问题研究的深人和解决 , 尤其是较高激光脉冲重复率问题的解决 , 激光冲击喷丸强化已进入实用阶段并在航空、汽车、船舶和军工等领域获得了极大关 ]7[注。 机械喷丸成形的基本原 ]8[理 是利用高速弹流撞击金属板件表面 ， 使受喷表面的表层材料产生塑性变形 ， 导致残余应力 ， 逐步使整体达到外形曲率要求的一种成形方法。 机械喷丸成形时 , 每个金属弹丸都以高速撞击金属板件的表面 ， 使受喷表面的金属围绕每个弹丸向四周延伸 ， 金属的延伸超过材料的屈服极限 ， 产生塑性变形 ， 形成压抗 ， 从而引起受喷表层的面积加大 ， 但表层材料的延伸又 为内层金属所牵制 ， 因而在板件内部产生了内应力 ， 内应力平衡的结果使板件发生双向弯曲变形 ， 从而使板料成形。 上下表层为残余压应力。 机械喷丸成型后板料的特点： A， 上下表层为残余压应力 B，受喷表层的材料安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书 9 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 组织结构发生变化 C，受喷表面变得粗糙 图 喷丸后零件的应力分 ]9[布 图 喷丸后零件的位错和晶粒分 ]9[布 激光冲击技术 激光冲击强化的原理 当高功率密度 (GW/cm2量级 )、 短脉冲 (1030ns量级 )的激光通过透明约束层作用于金属表面所涂覆的能量吸收涂层时，涂层吸收激光能量迅速气化并几乎同时形成大量稠密的高温 (＞ 104K)， 高压 (＞ 1GPa)等离子体。 该等离子体继续吸收激光能量急剧升温膨胀，然后爆炸形成高强度冲击波作用于金属表面。 当冲击波的峰值压力超过材料的动态屈服强度时，材料发生塑性变形并在表层产生平行于材料表面的拉应力 [3]。 激光作用结束后，由于冲击区域周围材 料的反作用，其力学效应表现为材料表面获得较高的残余压应 ]10[力。 冲击原理简化流程：高功率激光→待处理表面→透明约束层→（汽化 .膨胀）→冲击波→残余应力场 .晶体缺陷的形成。 安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书 10 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 图 激光冲击强化原理图 激光冲击强化的特点 1) LSP能形成深度更加深且数值更大的残余压应力影响层，通过 LSP获得的残余压应力影响层可达 1～ 2mm，是喷丸的 5～ 10倍； 2) LSP所用的激光参数和作用区域可以精确控制，参数也具有可重复性，可以在同一地方通过累积的形式多次强化，因而残余压应力的大小和强化层的深度精确可控； 3) 由于激光的可达性好，光斑大小可调，且能精确控制和定位， LSP技术能够处理一些传统工艺不能处理的部位。 特别适合对小孔、倒角、焊缝和沟槽等部位进行强化，甚至能对一些微米级金属零件进行强 ]11[化 ； 4) LSP后，金属表面留下的冲击坑深度仅为数微米，基本不改变被处理零部件的粗糙 ]12[度。 对于发动机叶片等对表面形变特别敏感的零部件，冲击强化后效果明显。 激光冲击强化的效应 从材料损伤的角度来看 ,不论是疲劳还是动态破坏 ,都是一个微裂纹 (或空洞 )成核、演化和失效破坏的连续过程 , 材料损伤演化过程是全体裂纹共同作用的结果 ,因此研究裂纹萌生 .扩展问题具有重要意义。 疲劳寿命包括裂纹萌生寿命和裂纹扩展寿命两部分 , 这两部分寿命在总寿命中不仅与材料成分、组织、性能有关 , 而且与冲击参数有关。 由于冲击波与 材料相互作用，微观上改变了材料内部显微结构的分布；宏观上表现为材料力学性能的改变。 如生成的大量位错可以提高材料表面的硬度和强安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书 11 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 度；细化晶粒不仅能提高材料的强度，还能提高材料表面的塑形和韧性；塑形变形可以在材料表层产生残余压应力，由于残余压应力的存 在可以有效抑制材料疲劳裂纹的萌生以及减缓裂纹扩展速率 , 使材料的疲劳寿命明显提 ]13[高。 （ 1）激光冲击对裂纹萌生的影响 疲劳极限微细观过程理 ]14[论 认为，疲劳源裂纹的行成应包括以下六个微细观过程： (a)加载时，个别晶粒内位错开动，产生微观滑移，但其发展将受到周围晶粒的制约，在一些薄弱晶粒内部或微观应力集中点附近出现位错的运动并受阻于晶界； (b)为了使“微观屈服”能进一步发展，在周围晶粒内激发位错源及位错的运动，以协调塑性变形，从而形成一些由相当多晶粒参与的“ 细观屈服”小区； (c)在“细观屈服区”中的一些晶粒内形成应变集中滑移带； (d)在卸载或反向加载到最小应力时，一些应变集中滑移带在周围弹性区的“ 胁迫”下或在反向载荷的作用下反向屈服； (e)少数应变集中滑移带中萌生疲劳初裂缝； (f)个别条件合适的疲劳初裂缝，扩展进入周围晶粒，成为能发展成宏观疲劳裂缝的疲劳源。 当试件表层存在残余压力时，可以从两方面来考虑残余应力的作用：一方面，在材料表面，残余压应力的存在起到了降低平均应力的作用，抵消了部分载荷应力，起到直接的强化的作用；另一方面，较高的残余压应力阻止了裂纹在表面萌生，使裂纹萌生由表面推移至次表面薄弱区，该区域往往是残余拉应力最大区，此处没有表面损伤和介质的影响，同时位错滑移受到较大约束， 裂纹萌生困难，表现为疲劳寿命提高，此时残余压应力起到间接强化的作用。 图 2024T62 激光冲击前后金相图片 安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书 12 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 表面和内部行成“细观屈服区”的极限应力是不同的。 表面层中的晶粒，其自由表面一侧没有约束或约束较小，位错容易滑动，在其附近形成“细观屈服区”需要的极限应力较低；而在离表面较远的内部晶粒，其形成这样的“细观屈服区”需要的极限应力就较高。 （ 2）激光冲击对裂纹扩展的影响 激光冲击强化对裂纹扩展的抑制作用十分明显，其机理可以从如下方面阐述：残余压 应力场阻碍疲劳裂纹的扩展，对短裂纹不仅可以使其扩展速率大幅度下降，进而形成非扩展裂纹，并且大大提高疲劳短裂纹的闭合力，从而使强化件的疲劳强度得到提高。 当裂纹开始扩展时，随着表面残余压应力的增加，应力强度因子 k减小，裂纹扩展速率降低；当 k低于裂纹扩展门槛值时，裂纹停止扩展。 在循环过程中，发生了残余压应力松弛，使 k重新增大，裂纹扩展速率加大，最终导致断裂。 邹世坤等研究了激光冲击处理金属板材后的裂纹扩展速率，激光冲击处理使厚度为 GH30整个冲击强化区裂纹扩展速率将为原来的 1/ 化区域内，激光冲击处理能明显降低 30CrMnSiA裂纹扩展速率，最大幅度可降到原来的 1/，激光冲击处理可显著降低铝合金的疲劳裂纹扩展速率。 其主要原因是在于激光冲击处理可提高位错密度和形成表面残余压应 ]15[力。 对激光处理过的材料的疲劳断口分析可知，激光冲击部位表层残余压应力在一定程度上抑制了裂纹源的形成，并可延长裂纹扩展的时 ]16[间。 （ 3）激光冲击处理对材料表面硬度的影响 激光冲击处理提高金属表面的硬度是其强化作用的令一个重要方面。 激光冲击加工在整个激光辐照区域使金属表面硬度提高。 此外，激光冲击强化还可以有效地强化某些金属的焊缝区。 如高温合金 GH30氩弧焊焊缝经激光冲击处理后，焊缝表面显微硬度提高 40%，抗拉强度提高了 12%以 ]17[上 ；激光冲击强化使焊态 5086H32铝合金的屈服强度回复到母材的水平使6061T6铝合金焊缝的抗拉强度提高 ]18[%50。 这些焊接接头的强化是因为激光冲击使材料内部产生了高密度的位错。 （ 4）激光冲击处理对耐磨性能及腐蚀性能的影响 激光冲击强化也可以改善耐磨性能和腐蚀性能。 研究表明，激光冲击加工产生的围绕夹杂物的纯力学效应可改善含盐介质中 316L不锈钢的耐点蚀性能；亦使100Cr6工具钢的磨损率下 ]19[降。 对储能罐 .核废料罐 焊缝进行激光冲击强化后，其疲劳裂纹和应力腐蚀的性能大大提高了，其使用寿命可以达到上万年的使用设计要求。 根据相关实验表明，经激光冲击强化后的焊缝在一周后未见腐蚀，而未经强化的焊缝 24小时后即出现严重的腐 ]20[蚀。 安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书 13 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 激光冲击强化的影响因素 激光冲击强化技术可以大大提高材料的疲劳性能和耐磨性能，并且成功用于航空航天 、 核工业等领域。 目前国内外研究人员越来越多的关注激光冲击强化技术的基础理论与基础工艺研究。 影响激光冲击强化效果 的影响因素主要有激光参数 、 能量吸收层和约束层 、 材料等。 激光参数 （ A） 激光功率密度 FA。