約束條件對(duì)薄板激光沖擊表面完整性的影響

楊恒基,楊文杰,張興權(quán),張國(guó)濤,方進(jìn)秀,裴善報(bào)

(1.特種重載機(jī)器人安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,安徽 馬鞍山 243032；2.安徽工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,安徽 馬鞍山 243032)

1 引 言

零件的失效大多始于表面,零件表面的加工質(zhì)量關(guān)系到零件的耐磨性、疲勞強(qiáng)度、抗蝕性等,特別是零件表面微觀形貌、顯微硬度、殘余應(yīng)力等對(duì)表面質(zhì)量的影響尤為明顯[1-2]。為了保證零件的使用性能和延長(zhǎng)其使用壽命,通常采用磨削、拋光等工藝減小其表面粗糙度,或通過(guò)熱處理、滾壓和機(jī)械噴丸等手段改善零件的應(yīng)力狀態(tài)。激光沖擊強(qiáng)化是一種先進(jìn)的表面改性技術(shù),它是利用激光誘導(dǎo)的應(yīng)力波改善零件表面性能,提高材料的強(qiáng)度、硬度、耐磨性等力學(xué)性能,延長(zhǎng)材料的疲勞壽命[3]。

由于應(yīng)力波強(qiáng)度的衰減與其在材料傳播的距離有關(guān),零件厚度的不同、零件約束條件的不同,應(yīng)力波與材料相互作用的效果也不同。近年來(lái),國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)開(kāi)展了大量的研究。Mao等[4]研究發(fā)現(xiàn)激光沖擊可以引起織構(gòu)弱化和晶粒細(xì)化效應(yīng),改善鎂合金薄板材的室溫拉伸成形性能。姜銀方等[5]使用激光沖擊強(qiáng)化處理不同典型結(jié)構(gòu),研究了各結(jié)構(gòu)疲勞壽命的差異。昝垚旭等[6]研究了激光沖擊對(duì)Ti834合金圓片試樣顯微組織和性能的影響,研究發(fā)現(xiàn)增加激光的沖擊次數(shù),有助于提高材料的機(jī)械性能。以上研究對(duì)了解激光沖擊強(qiáng)化具有重要意義。在實(shí)際加工時(shí),由于板材的形狀大小不一樣、厚度也有差別,在激光沖擊強(qiáng)化時(shí),零件固定的方式也不相同,主要有兩種不同的邊界約束方式進(jìn)行固定,一種為板材兩端夾持,另一種通過(guò)夾具將底部固定在剛性工作臺(tái)上。目前,已有的激光沖擊強(qiáng)化的文獻(xiàn)主要集中在激光參數(shù)對(duì)沖擊強(qiáng)化效果的影響[7-8],然而,約束條件對(duì)板材表面完整性的影響卻鮮有報(bào)道。

304不銹鋼是一種綜合性能良好的抗腐蝕材料,被廣泛用于制作薄壁的容器和管件[9]。本文以1 mm的304不銹鋼薄板為研究對(duì)象,研究了激光沖擊薄板時(shí),約束條件對(duì)板材表面形貌、顯微硬度、微觀組織的影響,通過(guò)數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究了不同厚度板材的殘余應(yīng)力分布情況,運(yùn)用應(yīng)力波理論解釋了約束條件對(duì)殘余應(yīng)力場(chǎng)的影響機(jī)理,為薄板材料的激光沖擊強(qiáng)化提供參考。

2 實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬

2.1 實(shí) 驗(yàn)

使用線(xiàn)切割對(duì)304不銹鋼板進(jìn)行切割,隨后使用金相砂紙對(duì)試樣的切邊及表面依次進(jìn)行打磨處理,酒精沖洗后冷風(fēng)吹干,試樣厚度為1 mm,長(zhǎng)寬尺寸為20 mm×20 mm。在試樣表面貼上厚度為100 μm的黑膠帶作為吸收層,采用流水作為約束層,水層厚度穩(wěn)定在1～2 mm。實(shí)驗(yàn)開(kāi)展過(guò)程如圖1所示,試樣兩側(cè)通過(guò)螺栓固定在墊板上。第一組墊板上設(shè)置有矩形槽,槽寬為16 mm,試樣處于兩端夾持、底部懸空狀態(tài),第二組試樣底部與墊板完全貼合。實(shí)驗(yàn)時(shí)采用的激光能量為6 J,波長(zhǎng)為1064 nm,光斑直徑為3 mm,激光器半峰全寬為15～20 ns。

使用Rtec型三維形貌儀分別測(cè)量沖擊后試樣的表面形貌,然后使用X-350A型X射線(xiàn)應(yīng)力測(cè)定儀對(duì)兩種約束方式下板材光斑直徑方向的殘余應(yīng)力進(jìn)行測(cè)量,測(cè)試方法采用傾斜固定Ψ法,定峰方式為交相關(guān)法,Cr靶kα射線(xiàn)特征輻射,X光管高壓22 kV,電流6 mA,計(jì)數(shù)時(shí)間為1 s,準(zhǔn)直管直徑為1 mm。用線(xiàn)切割截取兩組試樣縱截面,切割面與夾持端平行,切割位置貼近沖擊區(qū)域邊緣,避免切割時(shí)的熱影響,鑲嵌后打磨至沖擊區(qū)域截面進(jìn)行拋光。采用HMV-2T型顯微維氏硬度計(jì)分別測(cè)量激光沖擊區(qū)域和未沖擊區(qū)域沿深度方向的顯微硬度,載荷200 g,加載時(shí)間為15 s,同一深度方向測(cè)量多次取平均值。通過(guò)光學(xué)顯微鏡觀察試樣截面的微觀組織,選用王水腐蝕,腐蝕時(shí)間10～15 s。

2.2 有限元模型

由于應(yīng)力波作用的時(shí)間較短,難以用常規(guī)實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行檢測(cè)和觀察,采用有限元技術(shù)可以很好對(duì)應(yīng)力波的傳播過(guò)程進(jìn)行研究,因此借助ABAQUS開(kāi)展仿真過(guò)程[10]。通過(guò)ABAQUS/Explicit模塊模擬應(yīng)力波的傳播過(guò)程,然后導(dǎo)入ABAQUS/Standard模塊進(jìn)行回彈分析得到穩(wěn)定的殘余應(yīng)力場(chǎng)。模型厚度分別設(shè)置為0.5 mm、1 mm、2 mm和3 mm,長(zhǎng)寬尺寸為20 mm×20 mm。分別設(shè)置模型的約束條件為兩側(cè)棱邊全約束和底部全約束。由于模型結(jié)果對(duì)網(wǎng)格密度非常敏感,較細(xì)的網(wǎng)格有助于獲得準(zhǔn)確的結(jié)果,然而會(huì)增加計(jì)算的成本。因此,將激光沖擊區(qū)域附近表面單元設(shè)置為0.1 mm,其他區(qū)域?yàn)?.14 mm,厚度方向單元設(shè)置為0.1 mm。圖2為1 mm板材的三維有限元模型,模型中單元數(shù)目為256000,單元類(lèi)型為C3D8R。

2.3 壓力加載

有限元模擬時(shí),采用光斑直徑為3 mm,激光波長(zhǎng)為1064 nm。根據(jù)R.Fabbro等[11]提出的峰值壓力估算公式:

(1)

(2)

式中,P代表峰值壓力;α為內(nèi)能轉(zhuǎn)化熱能部分的系數(shù),通常取0.1～0.3[12];Z是約束層和基體材料的折合聲阻抗;Z1和Z2分別代表水和304不銹鋼的聲阻抗,其中水約束層的聲阻抗為0.165×106g/cm2·s,304不銹鋼的聲阻抗為4.6×106g/cm2·s[3]；I0為激光的功率密度,計(jì)算得峰值壓力約為3.4 GPa。

2.4 材料本構(gòu)模型

采用Johnson-Cook(JC)模型作為材料的本構(gòu)模型,由于吸收層的存在屏蔽了激光輻照產(chǎn)生的熱影響,同時(shí)采用流水作為約束層可以帶走大量的熱。因此,在采用JC模型時(shí),可以忽略溫度參數(shù)的影響,其關(guān)系式可以簡(jiǎn)化為:

(3)

表1 304不銹鋼JC模型參數(shù)[14]

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 表面形貌

激光沖擊后試樣表面形貌如圖3所示。從圖3(a)可以看到,激光沖擊后試樣表面產(chǎn)生了圓形凹坑。這是由于激光誘導(dǎo)產(chǎn)生的高壓沖擊波超過(guò)了材料的動(dòng)態(tài)屈服極限,使材料表面發(fā)生了塑性變形。由于吸收層的保護(hù)作用,板材表面并未產(chǎn)生燒蝕現(xiàn)象,而黑膠帶吸收層上產(chǎn)生了圓形燒蝕痕。圖3(b)和圖3(c)分別為兩端夾持和底部全約束條件下,激光沖擊后試樣表面的三維形貌,由圖可知,邊界約束條件對(duì)薄板材激光沖擊后的三維形貌產(chǎn)生了較大影響。兩端夾持試樣表面凹坑深度約為38 μm,凹坑四周產(chǎn)生了翹曲變形,而底部全約束試樣凹坑深度約為14 μm,凹坑深度明顯減小,凹坑四周平整。這是由于不銹鋼的厚度薄,中間得不到支撐的板材剛度差,激光沖擊時(shí),不僅受沖的區(qū)域表面發(fā)生塑性變形,而且沖擊區(qū)域四周的板材也發(fā)生了整體的微變形。而對(duì)于底面全約束的板材,底部有較好的剛度,板材難以發(fā)生整體變形,在激光沖擊波作用下,變形區(qū)域主要集中在沖擊區(qū)域。因此,對(duì)于變形量要求較小薄部件的激光沖擊強(qiáng)化,優(yōu)先選用底部有約束的加工方式,有助于減小板材的塑性變形,保證沖擊強(qiáng)化的質(zhì)量。

3.2 顯微硬度

圖4為深度方向顯微硬度測(cè)定結(jié)果。從圖4中可以看出,材料激光沖擊后,在距離表面300 μm的范圍內(nèi),試樣深度方向顯微硬度提升較為明顯,從強(qiáng)化前的210 HV提升至235 HV,塑性變形區(qū)域主要集中在表層。這是因?yàn)榧す庹T導(dǎo)的應(yīng)力波的強(qiáng)度隨著傳播距離的增加逐漸減小,距離加載的表面的距離越遠(yuǎn),應(yīng)力波的強(qiáng)度就越弱,應(yīng)力波與材料相互作用的程度就越弱,材料的硬度增加值不明顯。因此,隨著深度的增加,硬度值逐漸減小。同時(shí),從圖4中還可以看出,兩種約束條件下,試樣深度方向顯微硬度的差別并不明顯,底部全約束試樣表層的顯微硬度略高于兩端夾持試樣。

圖4 深度方向顯微硬度分布

3.3 微觀組織

通過(guò)光學(xué)顯微鏡進(jìn)一步觀察試樣截面的微觀組織。圖5(a)為304奧氏體不銹鋼的原始組織,圖5(b)為底部全約束試樣激光沖擊后的微觀組織,從圖中可以看到,激光沖擊后試樣表層的微觀組織發(fā)生了改變。將兩種約束方式下,試樣沖擊區(qū)域表層放大500倍進(jìn)一步進(jìn)行觀察,如圖5(c)和圖5(d)所示。從圖中可以看到,試樣表層產(chǎn)生了細(xì)小的孿晶,這是由于304不銹鋼的堆垛層錯(cuò)能較低,激光沖擊作用下其變形方式以孿生為主[15],并且底部全約束試樣微觀組織的改變更加明顯。由此可知,激光沖擊后試樣表層發(fā)生了較大的塑性變形,產(chǎn)生了細(xì)小的孿晶,高密度的形變孿晶使材料的顯微硬度得到提升。

圖5 試樣截面微觀組織

4 模擬結(jié)果與討論

4.1 不同厚度板材表面殘余應(yīng)力

通過(guò)X射線(xiàn)應(yīng)力測(cè)定儀對(duì)1 mm試樣表面的殘余應(yīng)力值進(jìn)行測(cè)量,起始點(diǎn)為光斑中心,測(cè)量點(diǎn)間距為0.5 mm,將測(cè)量結(jié)果與ABAQUS模擬的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,如圖6所示。模擬得到底部全約束試樣光斑中心處的應(yīng)力值為-183.6 MPa,測(cè)量值為-208.6 MPa,測(cè)量值比模擬值偏大,這是由于板材表面存在初始?jí)簯?yīng)力。整體來(lái)看,測(cè)量結(jié)果分布在模擬的曲線(xiàn)兩側(cè),模擬結(jié)果與測(cè)量結(jié)果較為一致,從而驗(yàn)證了模型的有效性。

圖6 殘余應(yīng)力模擬與測(cè)量結(jié)果

通過(guò)ABAQUS進(jìn)一步分析,得到不同厚度板材沖擊區(qū)域表面的殘余應(yīng)力分布曲線(xiàn),如圖7所示。由圖7(a)可知,在兩端夾持條件下,0.5 mm板材表面產(chǎn)生了較大的殘余拉應(yīng)力場(chǎng),1 mm板材光斑中心處產(chǎn)生了殘余拉應(yīng)力,表現(xiàn)出明顯的殘余應(yīng)力洞現(xiàn)象。在底部全約束條件下,0.5 mm板材表面的殘余應(yīng)力值產(chǎn)生了較大的波動(dòng),這是由于表面稀疏波的匯聚作用以及反射的應(yīng)力波對(duì)殘余應(yīng)力場(chǎng)產(chǎn)生了較大影響。

圖7 板材表面殘余應(yīng)力分布曲線(xiàn)

對(duì)比兩種不同的約束方式,當(dāng)板材厚度小于2 mm 時(shí),底部全約束狀態(tài)下的殘余應(yīng)力場(chǎng)效果明顯優(yōu)于兩端夾持狀態(tài)。由圖7(b)可知,隨著板材厚度的增加,兩種約束方式下板材表面的殘余應(yīng)力場(chǎng)變化趨勢(shì)基本相同,這是由于板材厚度增加后,應(yīng)力波的傳播距離增加,其能量不斷衰減,約束條件對(duì)板材表面殘余應(yīng)力場(chǎng)的影響逐漸減弱。

4.2 約束條件對(duì)殘余應(yīng)力場(chǎng)的影響

通過(guò)觀察兩種約束條件下不同時(shí)刻的應(yīng)力波動(dòng)態(tài)云圖,進(jìn)一步研究約束條件對(duì)殘余應(yīng)力場(chǎng)的影響機(jī)理。當(dāng)板材兩端夾持時(shí),其應(yīng)力波傳播過(guò)程如圖8所示,圖中板材厚度為1 mm。由圖8可知,初始縱向應(yīng)力波為壓縮波,應(yīng)力波沿著厚度方向傳播,最大動(dòng)態(tài)壓應(yīng)力值隨著傳播距離的增加不斷減小。247 ns時(shí),壓縮應(yīng)力波到達(dá)板材背面后,被反射為相反性質(zhì)的拉伸波,其最大拉應(yīng)力為667.4 MPa。反射的應(yīng)力波不斷向板材沖擊面?zhèn)鞑?繼續(xù)被反射為相反性質(zhì)的應(yīng)力波,應(yīng)力波在靶材內(nèi)部不斷重復(fù)上述過(guò)程,直至完全衰減。

(a)t=89 ns (b)t=188 ns

當(dāng)板材底部全約束時(shí),其應(yīng)力波傳播過(guò)程如圖9所示。由圖9可知,在初始縱向應(yīng)力波未抵達(dá)板材的背面前,兩種約束條件下,應(yīng)力波的傳播狀態(tài)和應(yīng)力值完全相同。247 ns時(shí),最大壓應(yīng)力值由兩端夾持狀態(tài)時(shí)的1128 MPa上升至3394 MPa。這是由于邊界約束條件改變后,反射波的性質(zhì)發(fā)生了改變。應(yīng)力波從介質(zhì)A向介質(zhì)B傳播時(shí),兩種介質(zhì)的聲阻抗共同決定了應(yīng)力波在界面間反射時(shí)的振幅和振動(dòng)方向,其質(zhì)點(diǎn)速度滿(mǎn)足以下關(guān)系:

(4)

式中,UPR代表反射波的粒子速度;UPI代表入射波的粒子速度;ρ和D分別代表著材料密度和應(yīng)力波波速[16]。當(dāng)ρADA<ρBDB時(shí),反射波與入射波符號(hào)相同,反之則符號(hào)相反。當(dāng)板材底部全約束時(shí),相當(dāng)于其聲阻抗非常大,反射波方向與入射波的方向相同[17]。因此底部全約束時(shí),第一次反射的應(yīng)力波從兩端夾持時(shí)的拉伸波轉(zhuǎn)變?yōu)閴嚎s波。反射的壓縮波不斷向受沖擊表面?zhèn)鞑?482 ns時(shí),從上表面反射的應(yīng)力波為拉伸波,與兩端夾持時(shí)完全相反。由此可知,在不同的約束條件下應(yīng)力波的反射情況明顯不同,在板材厚度較薄的情況下,反射波的強(qiáng)度較強(qiáng),該影響不能忽略。

(a)t=89 ns (b)t=188 ns

5 結(jié) 論

以1 mm的304不銹鋼薄板為研究對(duì)象,研究了激光沖擊薄板時(shí),約束條件對(duì)薄板表面完整性的影響,并進(jìn)一步研究了不同厚度板材的殘余應(yīng)力分布情況以及約束條件對(duì)殘余應(yīng)力場(chǎng)的影響機(jī)理,得到以下結(jié)論:

(1)峰值壓力為3.4 GPa時(shí),激光沖擊使試樣表面發(fā)生了塑性變形,底部全約束試樣表面凹坑深度約為14 μm,遠(yuǎn)小于兩端夾持時(shí)的深度。

(2)兩種邊界約束條件下,試樣深度方向顯微硬度的區(qū)別并不明顯,激光沖擊使試樣表層均產(chǎn)生了細(xì)小的孿晶,高密度的形變孿晶使材料的顯微硬度得到提升。

(3)板材厚度小于2 mm時(shí),兩端夾持條件下,沖擊區(qū)域表面容易產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力,底部全約束時(shí)板材表面的殘余應(yīng)力場(chǎng)效果明顯優(yōu)于兩端夾持狀態(tài),隨著板材厚度的增加,約束條件的影響會(huì)逐漸減弱。

(4)兩種邊界約束條件下,應(yīng)力波的反射情況明顯不同,應(yīng)力波的性質(zhì)發(fā)生了改變,反射的拉伸波或壓縮波影響了薄板表面的殘余應(yīng)力場(chǎng)。