單面激光沖擊孔壁殘余應(yīng)力與疲勞失效

姜銀方，程志軍，丁 報(bào)，潘 禹，李 娟，金 華，王春輝

(江蘇大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江212013)

1 引言

激光沖擊強(qiáng)化是一種新型的材料表面強(qiáng)化技術(shù)。當(dāng)高強(qiáng)度的激光脈沖作用在金屬靶材的吸收層上時(shí)，能量在短時(shí)間集聚，吸收層瞬間汽化產(chǎn)生膨脹的等離子體流［1－2］。進(jìn)而產(chǎn)生一個(gè)高幅值、短脈寬的壓力脈沖。壓力脈沖以沖擊波的形式傳入金屬材料內(nèi)，材料隨后發(fā)生塑性變形，進(jìn)而在變形區(qū)域產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力［3－4］。與傳統(tǒng)的機(jī)械噴丸相比，激光噴丸后試件表層的壓應(yīng)力層深度更大且試件表面的質(zhì)量更好，對(duì)試件表面的微觀形貌影響更小。這就為小孔件的表面強(qiáng)化提供了一個(gè)新的思路與方法，極具工程意義［5－6］。

現(xiàn)階段的大量研究結(jié)果表明:激光沖擊強(qiáng)化能有效改善金屬材料的應(yīng)力分布、微觀組織結(jié)構(gòu)與延緩裂紋擴(kuò)展速率，從而提高零件的疲勞壽命。針對(duì)直徑小于3 mm的孔，采用冷擠壓工藝往往在冷擠壓過(guò)程中，芯棒發(fā)生斷裂而無(wú)法取出;此外與芯棒配套使用的襯套僅能使用一次，加工成本過(guò)高;再者冷擠壓的作用僅限于孔壁，孔周圍結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)并沒(méi)有得到改善。激光沖擊強(qiáng)化對(duì)這些特殊的結(jié)構(gòu)具有無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)［3，7－8］。

在項(xiàng)目的研究過(guò)程中發(fā)現(xiàn):峰值壓力對(duì)激光沖擊強(qiáng)化的效果影響很大，特別是單面沖擊強(qiáng)化。采用低峰值壓力進(jìn)行單面激光強(qiáng)化后會(huì)對(duì)試件的疲勞壽命產(chǎn)生一定的增益;而峰值壓力過(guò)大時(shí)，試件經(jīng)激光沖擊強(qiáng)化后壽命反而降低，出現(xiàn)負(fù)增益。為此本文通過(guò)ABAQUS有限元分析軟件對(duì)峰值壓力與載荷脈寬對(duì)小孔件孔壁方向上殘余應(yīng)力分布進(jìn)行研究，通過(guò)建立激光沖擊強(qiáng)化有限元分析模型、選擇合適的有限元單元類型和材料模型，為零件經(jīng)高峰值壓力激光強(qiáng)化后疲勞壽命的降低提供理論依據(jù)［5］。

2 小孔件的疲勞失效

2．1 實(shí)驗(yàn)條件

選取7050－T7451雙聯(lián)狗骨試樣為研究對(duì)象，試樣厚度為4 mm，激光噴丸強(qiáng)化試驗(yàn)選用波長(zhǎng)1064 nm，脈沖寬度為20 ns，重復(fù)頻率為5 Hz的釹玻璃脈沖激光器。所采用的激光脈沖能量為2～9 J，光斑直徑3 mm，強(qiáng)化2層。吸收層和約束層分別為0．12 mm的黑膠布、1～2 mm的去離子水。雙聯(lián)孔疲勞試樣如圖1所示，強(qiáng)化完成后在試樣上加工小孔，小孔直徑為2．6 mm。疲勞試驗(yàn)采用拉－拉正弦波載荷軸向加載，應(yīng)力比R=0．1，試驗(yàn)頻率為共振頻率f=70～80 Hz，孔位置最小截面處最大載荷為195 MPa。疲勞試驗(yàn)分激光沖擊前后2組對(duì)比進(jìn)行。

2．2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

疲勞試驗(yàn)完成后試件斷口形貌如圖2所示，強(qiáng)化前后試件的疲勞壽命與所承受的循環(huán)載荷次數(shù)如表1所示，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:當(dāng)強(qiáng)化能量為2 J時(shí)，強(qiáng)化后試件的疲勞壽命有38．92%的增益。而當(dāng)強(qiáng)化能量增大至8．5 J時(shí)，強(qiáng)化后試件的疲勞壽命反而下降，出現(xiàn)－32．27%負(fù)增益現(xiàn)象;如圖2所示，對(duì)完疲勞試驗(yàn)后的斷口進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn):試件未經(jīng)處理時(shí)，斷口上疲勞源位于孔角;當(dāng)強(qiáng)化能量為2 J時(shí)，斷口上疲勞源位于孔壁中部;當(dāng)強(qiáng)化能量為8．5 J時(shí)，斷口上疲勞源進(jìn)一步內(nèi)移，斷口上疲勞源距激光沖擊面3．16 mm。強(qiáng)化能量增大后試件的疲勞增益反而降低且斷口上疲勞源位置發(fā)生內(nèi)移，其原因很可能是強(qiáng)化能量過(guò)大使試件內(nèi)部的殘余拉應(yīng)力變大，從而導(dǎo)致試件的疲勞壽命出現(xiàn)負(fù)增益?，F(xiàn)以有限元仿真的方法研究峰值壓力、載荷脈寬對(duì)強(qiáng)化后孔壁應(yīng)力分布的影響。

圖1 雙聯(lián)孔疲勞試樣Fig．1 Double fatigue specimen with central hole

表1 激光處理前后試樣疲勞壽命Tab．1 Fatigue life before and after LSP

圖2 激光沖擊前后斷口形貌Fig．2 Fatigue fracturemorphology of specimen before or after LSP

3 孔壁殘余應(yīng)力峰值分析

3．1 有限元模型

為了研究峰值壓力與載荷脈寬對(duì)小孔件孔壁應(yīng)力分布的影響，在此用ABAQUS軟件對(duì)其進(jìn)行仿真研究。模擬過(guò)程中采用7050－T7451鋁合金，材料的相關(guān)參數(shù)如表2所示。模型的幾何尺寸為28×28×4(長(zhǎng)×寬×厚)。網(wǎng)格類型為顯式線性縮減積分單元C3D8R，該單元為8節(jié)點(diǎn)六面體實(shí)體單元，可進(jìn)行大應(yīng)變、塑性、高應(yīng)變等分析。強(qiáng)化過(guò)程中采用圓形光斑，相鄰光斑搭接率為L(zhǎng)/D=1/2(L為相鄰沖擊移動(dòng)距離，D為光斑直徑)。光斑數(shù)量為4×4，以條沖的方式進(jìn)行沖擊強(qiáng)化如圖3所示，完成16個(gè)圓形光斑的強(qiáng)化稱之為強(qiáng)化1層。

表2 7050－T7451鋁合金參數(shù)［1］Tab．2 Thematerial properties of 7050－T7451 aluminum alloy

圖3 強(qiáng)化路徑Fig．3 The path of laser shock

在激光強(qiáng)化過(guò)程中，激光誘導(dǎo)產(chǎn)生的等離子體峰值壓力高達(dá)幾GPa，且作用時(shí)間短、應(yīng)變率達(dá)到106～107s－1，此時(shí)材料的力學(xué)響應(yīng)區(qū)別于靜載［5］。由于強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)中采用流動(dòng)水作為約束層，在此不考慮溫度這一因素的影響。對(duì)材料的本構(gòu)模型(Johnson－Cook模型)加以簡(jiǎn)化，簡(jiǎn)化后表達(dá)式為:

表3 Johnson－Cook模型材料特性參數(shù)［1］Tab．3 Themodel prarmeter of Johnson － Cook

在這里對(duì)光斑直徑為3 mm條件下，峰值壓力為 2．0 GPa、2．5 GPa、3．0 GPa、3．5 GPa、4．0 GPa 不同的參數(shù)組合進(jìn)行研究，研究的目標(biāo)路徑與三維模型如圖4所示。

圖4 目標(biāo)路徑位置Fig．4 The location of target path

3．2 計(jì)算結(jié)果與分析

3．2．1 峰值壓力對(duì)孔壁最大拉應(yīng)力的影響

圖5表示在光斑直徑為3 mm條件下，不同峰值壓力下強(qiáng)化3層后目標(biāo)路徑的應(yīng)力分布。從圖中可以看出隨著峰值壓力的逐漸增大，沖擊面表層的殘余壓應(yīng)力層深度逐漸增加。由2．0 GPa下的 0．43 mm 逐漸增加至 4．0 GPa下的 1．81 mm。在壓應(yīng)力層深度增加的同時(shí)，零件內(nèi)部的拉應(yīng)力隨之增加，由的23 MPa增加至96 MPa，最大拉應(yīng)力出現(xiàn)的位置由原先的0．8 mm處逐漸內(nèi)移至距沖擊面2．67 mm深處，這就很好地解釋了前述實(shí)驗(yàn)中峰值壓力增大后零件的疲勞壽命降低且斷口處疲勞源發(fā)生內(nèi)移這一現(xiàn)象。壓應(yīng)力層深度的增加有益于增加零件的疲勞壽命，而零件內(nèi)部的拉應(yīng)力的增加會(huì)降低零件的疲勞壽命。過(guò)大的峰值壓力會(huì)使零件內(nèi)的拉應(yīng)力過(guò)大對(duì)零件的疲勞壽命產(chǎn)生負(fù)增益。

圖5 峰值壓力對(duì)孔壁應(yīng)力分布的影響Fig．5 The influence of peak pressure to the stress distribution

3．2．2 載荷脈寬對(duì)孔壁最大拉應(yīng)力的影響

載荷脈寬的影響因素有很多，諸如:吸收層的材料與厚度、約束層的材料與厚度、以水為約束層時(shí)水的流速、激光器的使用狀態(tài)等。當(dāng)激光參數(shù)不同時(shí)，載荷脈寬對(duì)孔壁殘余應(yīng)力分布的影響也有很大區(qū)別。在這里簡(jiǎn)要對(duì)其加以敘述。

載荷光脈寬的增加能有效的增加強(qiáng)化后試件表層的殘余壓應(yīng)力層深度，但在增加壓應(yīng)力層深度的同時(shí)零件內(nèi)部的殘余拉應(yīng)力也會(huì)隨之改變。當(dāng)峰值壓力不同時(shí)，載荷脈寬對(duì)孔壁殘余分布的影響也有很大差異。

圖6 脈寬對(duì)應(yīng)力分布的影響Fig．6 The influence of pulse width to the stress distribution

圖6 分別為 2．0、3．0、4．0 GPa 下，載荷脈寬對(duì)孔壁殘余應(yīng)力分布的影響。當(dāng)峰值壓力為2．0 GPa時(shí)，如圖6(a)所示，隨著脈寬的逐漸增加，孔壁上的殘余壓應(yīng)力層深度與孔壁上的最大拉應(yīng)力都隨之增加，最大拉應(yīng)力由原先的20 MPa增大至90 MPa，殘余壓應(yīng)力所處位置由原先表層0．6 mm處內(nèi)移至2．5 mm 深處;當(dāng)峰值壓力為3．0 GPa時(shí)，如圖6(b)所示，隨著脈寬的逐漸增加，殘余壓應(yīng)力層深度隨之增加，此時(shí)孔壁上的最大拉應(yīng)力隨之下降;當(dāng)峰值壓力為4．0 GPa時(shí)，如圖6(c)所示，隨著脈寬的逐漸增加，殘余壓應(yīng)力層深度隨之增加，此時(shí)孔壁上的最大拉應(yīng)力逐漸降低至0，整個(gè)孔壁上幾乎都是殘余壓應(yīng)力。脈寬對(duì)孔壁上應(yīng)力分布的影響與峰值壓力密切相關(guān)。

當(dāng)峰值壓力過(guò)高時(shí)，不同的載荷脈寬在孔壁上產(chǎn)生的殘余應(yīng)力分布區(qū)別很大。從應(yīng)力分布的角度上講，為了避免在孔壁上產(chǎn)生過(guò)大的殘余壓應(yīng)力，應(yīng)采用低峰值壓力、低脈寬或高峰值壓力、高脈寬的參數(shù)進(jìn)行強(qiáng)化。實(shí)際上零件經(jīng)高峰值壓力、高脈寬的激光束強(qiáng)化后產(chǎn)生劇烈的彎曲變形并使零件表面的粗糙度急劇增加，進(jìn)一步造成應(yīng)力集中現(xiàn)象。激光沖擊強(qiáng)化并不能因此產(chǎn)生增益。激光沖擊后如何降低零件的變形與粗糙度的增加，有待進(jìn)一步深入研究。

綜上所述，在制定單面激光強(qiáng)化工藝參數(shù)時(shí)，當(dāng)載荷脈寬較低時(shí)，宜采用較低峰值壓力的激光參數(shù)進(jìn)行強(qiáng)化，同時(shí)盡可能減小因激光沖擊導(dǎo)致零件強(qiáng)化區(qū)域的表面質(zhì)量。

4 結(jié)論

在不同參數(shù)下對(duì)材料進(jìn)行多層強(qiáng)化沖擊，對(duì)孔壁的應(yīng)力分布進(jìn)行分析后得出以下結(jié)論:

(1)小孔件經(jīng)激光沖擊強(qiáng)化后最終的斷口上的疲勞源由原先的孔角位置轉(zhuǎn)移至零件內(nèi)部，以低峰值壓力強(qiáng)化后試件斷口上的疲勞源距沖擊面較近，峰值壓力較大時(shí)斷口上的疲勞源距沖擊面較遠(yuǎn)，這與激光沖擊強(qiáng)化后孔壁上的最大拉應(yīng)力及其所在位置密切相關(guān)，同時(shí)說(shuō)明:小孔件經(jīng)激光沖擊強(qiáng)化后的疲勞壽命并非都會(huì)增加，在制定激光強(qiáng)化工藝參數(shù)時(shí)強(qiáng)化能量并非越大越好;

(2)當(dāng)載荷脈寬較低時(shí)，增大峰值壓力會(huì)使孔壁上殘余壓應(yīng)力層深度隨之增加，在壓應(yīng)力層深度增加的同時(shí)孔壁上的殘余拉應(yīng)力也隨之增大，最大拉應(yīng)力出現(xiàn)的位置也會(huì)隨之發(fā)生內(nèi)移，與實(shí)驗(yàn)中峰值壓力增大后零件的疲勞壽命降低且斷口處疲勞源發(fā)生內(nèi)移這一現(xiàn)象相吻合;

(3)當(dāng)峰值壓力不同時(shí)，載荷脈寬對(duì)孔壁上殘余應(yīng)力的影響差異很大，峰值壓力較小時(shí)，載荷脈寬越大，在孔壁上產(chǎn)生的拉應(yīng)力越大，當(dāng)峰值壓力很大時(shí)，載荷脈寬越大，在孔壁上產(chǎn)生拉應(yīng)力反而越小，甚至出現(xiàn)整個(gè)孔壁上均為壓應(yīng)力現(xiàn)象;

(4)在現(xiàn)有的條件下仍無(wú)法很好地解決高峰值壓力、高載荷脈寬強(qiáng)化后造成零件變形、強(qiáng)化表面質(zhì)量下降等問(wèn)題，針對(duì)特定結(jié)構(gòu)僅能采取單面激光強(qiáng)化時(shí)，建議采用低峰值壓力、小載荷脈寬進(jìn)行沖擊強(qiáng)化，避免零件強(qiáng)化后疲勞壽命出現(xiàn)負(fù)增益現(xiàn)象。

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