激光噴丸DP980高強(qiáng)鋼誘導(dǎo)的殘余應(yīng)力分布特性

王作偉 崔凱 劉牧熙

摘要：為研究激光噴丸后DP980高強(qiáng)鋼的殘余應(yīng)力分布特性，建立有限元分析模型，分析不同激光噴丸次數(shù)對(duì)材料表面及深度方向的應(yīng)力分布影響規(guī)律。開(kāi)展不同激光噴丸次數(shù)的強(qiáng)化試驗(yàn)，并對(duì)試樣進(jìn)行殘余應(yīng)力檢測(cè)，驗(yàn)證試驗(yàn)與模擬結(jié)果的一致性。通過(guò)對(duì)比激光噴丸前、后試樣的表面粗糙度差異，發(fā)現(xiàn)激光噴丸后試樣表面產(chǎn)生了塑性變形，并在表面形成均勻的殘余壓應(yīng)力。在深度方向上，為達(dá)到材料內(nèi)部應(yīng)力平衡，試樣芯部產(chǎn)生了低幅值的拉應(yīng)力。隨著激光噴丸次數(shù)的增加，材料表面誘導(dǎo)的殘余應(yīng)力幅值升高，產(chǎn)生更深的影響層。激光噴丸在材料表面誘導(dǎo)的殘余壓應(yīng)力增加了零部件內(nèi)部微裂紋的閉合力、延緩了裂紋擴(kuò)展速率，可提高零部件的使用壽命及可靠性。

關(guān)鍵詞：激光噴丸 高強(qiáng)鋼 數(shù)值模擬 殘余應(yīng)力

中圖分類(lèi)號(hào)：U465.1?? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B?? DOI： 10.19710/J.cnki.1003-8817.20230203

Characteristics of Residual Stress Distribution on DP980 High Strength Steel Subjected to Laser Peening

Wang Zuowei， Cui Kai， Liu Muxi

（Saic Volkswagen Automotive Yizheng Branch Co.， Ltd.， Yangzhou 225000）

Abstract： In order to study the characteristics of residual stress distribution on DP980 high-strength steel treated by Laser Peening （LP）， a finite element analysis model was established to analyze the influence of different LP times on the stress distribution both on the surface and in the depth of the material. Additionally， strenuous tests with different LP times were carried out， and the residual stress of samples was tested to verify the consistency of experiment and simulation results. By comparing the surface roughness of the samples before and after LP， it indicates that plastic deformation occurs on the sample surface， and a uniform residual stress distribution is generated on the surface after LP. In order to achieve the internal stress balance， a low-amplitude tensile stress is induced at the core of the sample along the depth direction. With the increase of? LP times， the residual stress induced on the surface of sample rises， and a deeper influence layer is generated. In fact， the residual stress induced by LP on the material surface increases the micro-crack closure force inside the parts and then postpones the crack growth rate， thus improves the service life and reliability of parts effectively.

Key words： Laser peening， High strength， Numerical simulation， Residual stress

作者簡(jiǎn)介：王作偉（1993—），男，工程師，碩士學(xué)位，研究方向?yàn)檐?chē)用金屬材料檢測(cè)與分析、激光先進(jìn)制造技術(shù)。

參考文獻(xiàn)引用格式：

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1 前言

整車(chē)輕量化設(shè)計(jì)已經(jīng)成為汽車(chē)工業(yè)發(fā)展的重點(diǎn)方向[1]，其核心在于減輕汽車(chē)質(zhì)量的同時(shí)不影響汽車(chē)安全性能，因此，開(kāi)發(fā)輕質(zhì)高強(qiáng)度的輕量化材料成為了主流技術(shù)路線[2]。在此背景下，高強(qiáng)鋼的開(kāi)發(fā)及應(yīng)用得到了迅速發(fā)展。其中，由于雙相鋼（Dual Phase Steel，DP）具有高強(qiáng)度和高塑性的綜合力學(xué)性能，被廣泛應(yīng)用于制造門(mén)檻加強(qiáng)板、中央通道、縱梁等汽車(chē)關(guān)鍵零部件[3]。開(kāi)發(fā)新型輕量化材料成本高且周期長(zhǎng)，不能及時(shí)響應(yīng)市場(chǎng)對(duì)整車(chē)安全性能的需求，因此對(duì)關(guān)鍵零部件進(jìn)行針對(duì)性強(qiáng)化是更為可行的技術(shù)路線。

激光噴丸（Laser Peening，LP）目前廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域關(guān)鍵零部件的制造[4]，其強(qiáng)化原理是高功率激光束與材料表面相互作用的物理過(guò)程。激光輻照在貼有能量吸收層（鋁箔或黑漆）的靶材上，使吸收層材料在瞬間電離氣化，形成等離子體氣團(tuán)。隨著激光持續(xù)輻照，能量不斷積聚，等離子體發(fā)生爆炸，在約束層（水簾或K9玻璃）作用下，產(chǎn)生沖擊波作用于材料表面，從而誘導(dǎo)材料的表面產(chǎn)生塑性變形，在材料表面形成穩(wěn)定的殘余壓應(yīng)力分布[5]。

激光噴丸誘導(dǎo)的殘余壓應(yīng)力能夠有效地增加零部件內(nèi)部微裂紋的閉合性[6]，延緩裂紋快速擴(kuò)展，從而提高零件的可靠性。為探索激光噴丸在汽車(chē)領(lǐng)域的應(yīng)用前景，選擇汽車(chē)用DP980高強(qiáng)鋼作為研究對(duì)象，通過(guò)有限元分析及試驗(yàn)驗(yàn)證，探索激光噴丸后DP980高強(qiáng)鋼誘導(dǎo)的殘余應(yīng)力分布規(guī)律，揭示強(qiáng)化后零件表面殘余壓應(yīng)力場(chǎng)的壽命延長(zhǎng)機(jī)理。

2 試驗(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)材料

選用4 mm厚DP980高強(qiáng)鋼板材作為試驗(yàn)對(duì)象，對(duì)其顯微組織及能量色散X射線能譜（Energy Dispersive X-ray Spectroscopy，EDS）進(jìn)行分析，如圖1所示。由圖1可知，DP980高強(qiáng)鋼的顯微組織由鐵素體和馬氏體雙相組成，以鐵素體為基體相使材料具有較好的塑性，而島狀馬氏體作為硬質(zhì)強(qiáng)化相，彌散分布于基體中，在變形過(guò)程中，硬質(zhì)馬氏體阻礙了自由位錯(cuò)的滑移，使大量位錯(cuò)在界面處塞積[7]，阻礙形變發(fā)生，從而使得DP980高強(qiáng)鋼具有優(yōu)異的綜合力學(xué)性能，如表1所示。

2.2 激光噴丸強(qiáng)化試驗(yàn)

試驗(yàn)前準(zhǔn)備試樣，通過(guò)線切割加工40 mm×40 mm×4 mm方塊試樣，隨后用砂紙對(duì)試樣進(jìn)行打磨，在試樣表面平整粘貼專(zhuān)用鋁箔備用。如圖2a所示，激光噴丸強(qiáng)化試驗(yàn)在江蘇大學(xué)Nd： YAG高功率脈沖激光發(fā)生系統(tǒng)進(jìn)行，激光束波長(zhǎng)為1 064 nm，脈寬為10 ns，能量分布為平頂分布。其他工藝參數(shù)為：雙面激光噴丸，50%搭接率，9 J激光能量，具體噴丸路徑如圖2b所示。為研究激光噴丸后DP980高強(qiáng)鋼殘余應(yīng)力分布規(guī)律，開(kāi)展不同噴丸次數(shù)（1次、2次和3次）的激光強(qiáng)化試驗(yàn)，具體試驗(yàn)方案如圖2c所示，相鄰2次激光噴丸試驗(yàn)之間需更換鋁箔。

2.3 分析與檢測(cè)

如圖3a所示，采用Proto殘余應(yīng)力分析儀對(duì)激光噴丸后試樣進(jìn)行殘余應(yīng)力檢測(cè)。根據(jù)DP980的材料特性，對(duì){2 1 1}晶面進(jìn)行衍射，選用Cr靶Kα輻射作為X射線管光源，其他測(cè)試參數(shù)：X射線管電壓為30 kV，管電流為25 mA?？紤]激光噴丸區(qū)域及試樣形狀為對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，圖3d為表面殘余應(yīng)力檢測(cè)方案，測(cè)量路徑從強(qiáng)化區(qū)域中間位置開(kāi)始向兩側(cè)延伸，5個(gè)測(cè)試點(diǎn)相鄰間隔2 mm。激光噴丸作為表面強(qiáng)化工藝，在試樣近表層誘導(dǎo)的應(yīng)力梯度大。因此，在深度方向上，近表面區(qū)域設(shè)置5個(gè)相鄰間隔0.2 mm殘余應(yīng)力檢測(cè)點(diǎn)，其余深度范圍測(cè)試點(diǎn)間隔0.5 mm，如圖3e所示。

3 有限元分析

3.1 有限元建模

如圖4所示，為降低計(jì)算機(jī)的分析成本，同時(shí)考慮方塊試樣為對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，建立了1/4有限元簡(jiǎn)化模型。采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分方法，選擇8節(jié)點(diǎn)六面體線性減縮積分單元對(duì)有限元模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。由于單元格尺寸的大小直接影響有限元分析求解精度及效率，將強(qiáng)化區(qū)域的網(wǎng)格單元進(jìn)行局部細(xì)化，設(shè)置單元尺寸為100 μm，從而獲得精確的應(yīng)力應(yīng)變結(jié)果。此外，由于激光噴丸為表面強(qiáng)化工藝，表層材料發(fā)生塑性變形更大，且應(yīng)力梯度更大。因此，在深度方向上的網(wǎng)格設(shè)置采用雙向偏置劃分方法，從而對(duì)近表層的網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化。

3.2 本構(gòu)模型

由于激光噴丸具有超高應(yīng)變速率的特點(diǎn)，材料對(duì)沖擊波響應(yīng)也是一種高應(yīng)變的塑性變形過(guò)程。實(shí)際上，應(yīng)變速率將直接影響材料的力學(xué)性能表現(xiàn)，通常高應(yīng)變率下的屈服極限和強(qiáng)度極限顯著提升。因此，選用約翰遜·庫(kù)克（Johnson-Cook）模型作為本構(gòu)模型，綜合考慮加工硬化和應(yīng)變率對(duì)材料塑性的影響，對(duì)激光噴丸過(guò)程中材料的動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行表征[9]，具體表達(dá)式為：

[σ=A+Bεn1+Cln（ε/ε0）]????????????????? （1）

式中：σ為馮·米塞斯（Von Mises）流動(dòng)應(yīng)力，A為初始屈服應(yīng)力，B為材料應(yīng)變強(qiáng)化參數(shù)，n為硬化指數(shù)，C為材料應(yīng)變率強(qiáng)化參數(shù)，ε、[ε]和[ε0]分別為等效塑性應(yīng)變、應(yīng)變速率和參考應(yīng)變率（其中[ε0]取1 s-1）。

具體的激光噴丸強(qiáng)化DP980高強(qiáng)鋼的約翰遜·庫(kù)克模型參數(shù)[10]取值如表2所示。

3.3 沖擊波加載

法布羅（Fabbro）估算模型可以準(zhǔn)確地描述激光沖擊波的峰值壓力，從而被廣泛地應(yīng)用于激光噴丸的數(shù)值模擬建模[11]，具體沖擊波峰值壓力估算表達(dá)式為：

[P=0.01α2α+3ZI0]????????????????????? （2）

式中：α為內(nèi)能轉(zhuǎn)化為熱能部分的系數(shù)，取值0.1；Z為折合聲阻抗；I0為激光功率密度。

由于本文激光噴丸試驗(yàn)采用水作為約束層，DP980高強(qiáng)鋼作為靶材，因此，折合聲阻抗Z可以通過(guò)2/Z=1/Zsteel+1/Zwater求得，其中水的聲阻抗Zwater =2.39×105 g/（cm2·s），鋼的聲阻抗Zsteel=4.55×106 g/（cm2·s）[12]。根據(jù)上述計(jì)算公式，得到9 J激光能量（脈寬為10 ns，光斑直徑為3 mm）誘導(dǎo)的沖擊波峰值壓力為1.66 GPa。

4 結(jié)果與討論

4.1 表面殘余應(yīng)力的分布特性

激光噴丸誘導(dǎo)的高幅值沖擊波作用于材料表面，當(dāng)沖擊波峰值壓力高于材料的動(dòng)態(tài)屈服強(qiáng)度時(shí)，材料將發(fā)生塑性變形，從而引起應(yīng)力分布發(fā)生變化。圖5所示為激光噴丸DP980高強(qiáng)鋼誘導(dǎo)的殘余應(yīng)力分布求解結(jié)果。由圖5可知，激光噴丸強(qiáng)化區(qū)域表面形成了高幅值的殘余壓應(yīng)力，這是由于該區(qū)域材料在塑性變形后的回彈過(guò)程中受到周?chē)牧系臄D壓和約束所致。

特別地，對(duì)比圖5a、5b應(yīng)力云圖分布，發(fā)現(xiàn)S11和S22方向的殘余應(yīng)力存在差異。然而，零部件在實(shí)際工況下受力的方向和大小是多元化且復(fù)雜的，因此需要對(duì)激光噴丸誘導(dǎo)的殘余壓應(yīng)力的各向異性進(jìn)行進(jìn)一步分析。如圖6所示，提取了沿M→N路徑上S11和S22方向的殘余應(yīng)力曲線，可以發(fā)現(xiàn)實(shí)測(cè)殘余應(yīng)力與數(shù)值求解值具有較好的一致性。由于采用50%的圓形光斑搭接噴丸工藝，因此，試樣表面的應(yīng)力存在波動(dòng)。對(duì)比2個(gè)方向的殘余應(yīng)力平均值，S11方向上穩(wěn)定殘余壓應(yīng)力區(qū)域的應(yīng)力平均值為-308 MPa，S22方向上穩(wěn)定殘余壓應(yīng)力區(qū)域的應(yīng)力平均值為-298 MPa，發(fā)現(xiàn)激光噴丸誘導(dǎo)的殘余應(yīng)力未出現(xiàn)顯著的各向異性。實(shí)際上，形成的殘余壓應(yīng)力主要源于周?chē)牧系臄D壓，特別是對(duì)于異形的零部件進(jìn)行強(qiáng)化時(shí)，需要對(duì)強(qiáng)化位置進(jìn)行設(shè)計(jì)評(píng)估，才能通過(guò)激光噴丸獲得最優(yōu)強(qiáng)化效果。

4.2 深度方向殘余應(yīng)力的分布特性

激光噴丸作為表面強(qiáng)化工藝，其誘導(dǎo)的沖擊波在材料傳播過(guò)程中會(huì)不斷衰減，應(yīng)力方面則會(huì)表現(xiàn)為殘余應(yīng)力幅值隨深度的增加而降低，因此，深度方向上的殘余應(yīng)分布是評(píng)價(jià)激光噴丸強(qiáng)化效果的重要依據(jù)。如圖7所示，為了直觀地探索激光噴丸誘導(dǎo)的殘余應(yīng)力在不同深度下的分布特性，對(duì)有限元模型進(jìn)行逐層切片分析，由上至下切片間隔為0.1 mm，發(fā)現(xiàn)隨著遠(yuǎn)離試樣表面，殘余壓應(yīng)力急劇降低，應(yīng)力狀態(tài)也由殘余壓應(yīng)力過(guò)渡到殘余拉應(yīng)力。

圖8提取了MO路徑上殘余應(yīng)力曲線，發(fā)現(xiàn)深度方向殘余壓應(yīng)力峰值位于試樣表層，達(dá)到-345 MPa。特別地，為了維持試樣整體應(yīng)力平衡，激光噴丸后在試樣的芯部位置同步產(chǎn)生了30 MPa的低幅值殘余拉應(yīng)力。定義殘余壓應(yīng)力區(qū)域?yàn)榧す鈬娡璧挠绊憣?，以零?yīng)力狀態(tài)為分界線，激光噴丸可在DP980試樣表面產(chǎn)生約450 μm的影響層深度。實(shí)際上，汽車(chē)零部件表面更容易受到磕碰劃傷等缺陷，在汽車(chē)行駛過(guò)程中受到交變載荷或者沖擊時(shí)，這些缺陷將成為裂紋源不斷擴(kuò)展直至失效。而激光噴丸誘導(dǎo)的殘余壓應(yīng)力能夠增大微裂紋的閉合力，延緩裂紋擴(kuò)展速率，從而有效提高零部件的使用壽命及可靠性。

4.3 激光噴丸次數(shù)對(duì)殘余應(yīng)力分布的影響

激光噴丸采用圓形光斑搭接方式對(duì)材料表面進(jìn)行強(qiáng)化，如果單點(diǎn)沖擊壓力過(guò)大，會(huì)嚴(yán)重破壞零件表面質(zhì)量。為獲取較好的表面質(zhì)量，可以采用低能量的多次沖擊方式，在不影響零件表面質(zhì)量的前提下獲得更優(yōu)異的強(qiáng)化效果。

圖9所示為不同激光噴丸次數(shù)作用下試樣表面粗糙度，經(jīng)過(guò)強(qiáng)化處理后試樣表面粗糙度有所提升。實(shí)測(cè)各個(gè)DP980高強(qiáng)鋼試樣的粗糙度值為：未強(qiáng)化試樣的粗糙度Ra=0.609 1 μm，Rz=3.178 7 μm；1次噴丸強(qiáng)化試樣的粗糙度Ra=0.647 1 μm，Rz=3.747 2 μm；2次噴丸強(qiáng)化試樣的粗糙度Ra=0.722 6 μm，Rz=4.410 5 μm；3次噴丸強(qiáng)化試樣的粗糙度Ra=0.672 9 μm，Rz=3.814 7 μm。通過(guò)以上數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，粗糙度并不是隨著噴丸次數(shù)增加一直提高的，第1次和第2次的激光強(qiáng)化使得表面形變更為明顯，從而粗糙度有所提升。第3次的強(qiáng)化時(shí)，在進(jìn)一步發(fā)生塑性變形的同時(shí)，由于相同位置受到多次沖擊，表面形貌趨于平緩，進(jìn)而改善粗糙度。

激光噴丸的強(qiáng)化效果評(píng)估需要應(yīng)力作為參考標(biāo)準(zhǔn)，如圖10a所示為在不同激光噴丸次數(shù)作用下DP980高強(qiáng)鋼試樣的表面殘余應(yīng)力分布曲線。由圖10a可知，隨著激光噴丸次數(shù)的增加，試樣表面誘導(dǎo)的殘余壓應(yīng)力提高，但提升程度有所減緩，由1次噴丸強(qiáng)化的-250 MPa增加至3次噴丸強(qiáng)化的-308 MPa，但第2次和第3次的強(qiáng)化效果差異不大。圖10b為深度方向的應(yīng)力分布，影響層深度出現(xiàn)類(lèi)似規(guī)律，隨著激光噴丸次數(shù)的提高，試樣表面誘導(dǎo)的影響層越深，由1次激光噴丸的392 μm提高到3次激光噴丸的450 μm。這是由于激光沖擊波壓力恒定不變，經(jīng)歷過(guò)前面2次，表面材料的強(qiáng)度得到提高，使進(jìn)一步發(fā)生塑性變形更加困難，因而達(dá)到強(qiáng)化效果的閾值。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)激光噴丸DP980高強(qiáng)鋼強(qiáng)化試驗(yàn)，以有限元分析的手段，探索了不同激光噴丸次數(shù)對(duì)殘余應(yīng)力分布的影響規(guī)律，具體得到如下結(jié)論：

a. 激光噴丸強(qiáng)化的有限元分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果具有很好的一致性，在深度方向上，為達(dá)到材料內(nèi)部應(yīng)力平衡，試樣芯部產(chǎn)生低幅值的拉應(yīng)力；

b. 隨著激光噴丸次數(shù)的增加，材料表面誘導(dǎo)的殘余應(yīng)力幅值提高，產(chǎn)生更深的影響層，但強(qiáng)化效果存在閾值；

c. 通過(guò)對(duì)比激光噴丸前、后DP980試樣的表面粗糙度差異，發(fā)現(xiàn)激光噴丸后試樣表面產(chǎn)生了塑性變形，當(dāng)激光噴丸次數(shù)超過(guò)2次時(shí)，試樣表面粗糙度有降低的趨勢(shì)；

d. 激光噴丸在材料表面誘導(dǎo)的殘余壓應(yīng)力增加了零部件內(nèi)部微裂紋的閉合力，延緩裂紋擴(kuò)展速率，從而有效提高了零部件的使用壽命及可靠性。

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