【正文】 由于疲勞紋擴展形式的不同帶來的疲勞擴展區(qū)面積的差異和殘余應(yīng)力的有無, 斷裂時的真實應(yīng)力有所不同。 (b) 激光沖擊試樣Fig. SEM photos of final rupture( a) nonlasershocked sample。由于疲勞源區(qū)最早形成，且裂紋擴展速率緩慢，擴展步長較小，而且，由于裂紋閉合效應(yīng)，兩個匹配斷口反復(fù)張開與閉合，不斷摩擦使得源區(qū)的光澤較亮、粗糙度較小。因此，本節(jié)以激光沖擊與未沖擊試樣在平均應(yīng)力為96．9MPa和106．6MPa下的疲勞斷口為研究對象，采用WYKO NTll00型非接觸式光學(xué)輪廓儀對各個斷口不同區(qū)域的粗糙度進行了測量。激光沖擊樣對應(yīng)平均應(yīng)力96．9MPa卜疲勞斷口不同區(qū)域祖糙度。綜上所述，疲勞斷面粗糙度在一定程度上反應(yīng)了材料抗疲勞性能的強弱，激光沖擊強化誘導(dǎo)材料表層產(chǎn)生的殘余壓應(yīng)力與外載荷疊加，降低了試樣應(yīng)力水平，抑制了裂紋擴展速率，裂紋擴展步長減小，裂紋閉合效應(yīng)增強，表現(xiàn)出斷面粗糙度較小。這說明，激光沖擊強化處理改變了裂紋擴展方向抑制了裂紋擴展速率，從而提高了試樣的疲勞壽命。人生也可以當(dāng)作論文，我可以按同樣的方法去了解它。同時也感謝培養(yǎng)了我4年之久的母校，教會了我許多知識以及各種做人的態(tài)度，當(dāng)然也要感謝我的父母，沒有你們的支持我不會走到今天。這個畢業(yè)設(shè)計是我走向人生的一個中轉(zhuǎn)站，我將要在此起航，我從中體會到了一股力量，讓我更踏實的邁向遠方。在論文的每一部分都是我和他們共同合作的見證，張老師給我提出了許多意見，在我和同學(xué)的交流下讓我更清楚的對該論文有了更深刻的理解。這說明，激光沖擊強化處理改變了裂紋擴展方向，抑制了裂紋擴展速率，從而提高了試樣的疲勞壽命。從表5．7和圖5．15中可以看出，①四種不同處理狀態(tài)下的疲勞斷口沿裂紋擴展方向距疲勞源距離的增加粗糙度逐漸變大，這主要是因為裂紋擴展的不同階段試樣承受載荷水平不同所致，與上述理論分析一致；②在同一載荷水平下，激光沖擊處理后疲勞斷口不同區(qū)域的粗糙度整體相比未沖擊處理斷口較小，這可能是因為激光沖擊強化致使試樣表層產(chǎn)生了殘余壓應(yīng)力，高密度位錯及晶粒細化，這些都抑制了裂紋擴展速度，裂紋擴展步長減小，因此表現(xiàn)出粗糙度變??；③對于同一處理狀態(tài)不同載荷下，即未沖擊處理試樣不同載荷下或激光沖擊處理試樣在不同載荷下，在96．9MPa下所對應(yīng)的疲勞斷口三個區(qū)域粗糙度均小于106．6MPa所對應(yīng)的疲勞斷口。 WYKONTI 100硝1F接觸式光學(xué)輪廓儀 WYKO NTI 1 00 optical profiler圖5．5示為激光沖擊處理試樣對應(yīng)平均應(yīng)力96．9MPa下疲勞斷口不同區(qū)域粗糙度。當(dāng)疲勞裂紋擴展到臨界尺寸時，試樣出現(xiàn)瞬斷，瞬斷所形成的區(qū)域即為瞬斷區(qū)，斷面起伏較大，其特征與靜載拉伸斷口較為相似。它取決于材料的微觀結(jié)構(gòu)、驅(qū)動裂紋擴展的應(yīng)力條件、裂紋尖端區(qū)域的形變和斷裂機制。 而在激光沖擊強化試樣上, 由于殘余應(yīng)力的作用, 最終斷裂速度變慢, 在斷口上揭示出原材料的一些晶體特征, ( b) 上可以看到許多細小的韌窩分散在斷口上,這與試驗材料的金相組織相吻合。如圖所示, 兩者斷口皆具有靜拉伸狀態(tài)下的斷裂特征, 又由于疲勞擴展區(qū)實際上等于造成了一種預(yù)裂紋, 故斷口呈現(xiàn)張開型斷口特征。 ( b ) fatig ue striations of lasershocked sample由于本實驗加載應(yīng)力大于試驗材料的屈服強度, 金屬在每一周期都有一定量的塑性變形, 所以材料處于彈塑性應(yīng)變狀態(tài), 產(chǎn)生的應(yīng)變包括彈性應(yīng)變量和塑性應(yīng)變量。這是因為疲勞裂紋擴展過程中兩邊斷口上峰峰、谷谷相對應(yīng), 其峰臺部分不斷受到碾擠而形成的擠壓脊, 其上的疲勞紋無法辨別, 這屬于解理、非晶體學(xué)脆性的疲勞紋形態(tài) , 應(yīng)是激光沖擊強化鋁合金低周疲勞的重要特征。 ( b ) fatig ue striations of lasershocked sample 為疲勞裂紋擴展第二階段后期的典型照片。這是因為在疲勞裂紋擴展第二階段初期, 裂紋較淺而較平坦, 但由于受到強大的殘余壓應(yīng)力作用, 裂紋擴展過程中隨每次循環(huán)張開的幅度必然小于未經(jīng)強化的材料,已產(chǎn)生的疲勞紋不斷受到碾擠,最終變成云紋狀, 其上的疲勞紋無法辨別。( a) 為未經(jīng)激光沖擊強化的試樣, 從圖中可以看到, 疲勞紋相互平行且具有規(guī)則間距,裂紋擴展速率較大, 同時在擴展初期就可以觀察到二次裂紋。同時, 表面殘余壓應(yīng)力與加載應(yīng)力疊加后使表面層總應(yīng)力降低, 致使表層的總應(yīng)力大大低于強化層的疲勞極限, 因此裂紋源移向強化層以內(nèi)。( a) 未受沖擊材料的疲勞區(qū)。( a) , ( b) 可以看到, 激光沖擊強化后鋁合金的疲勞源位置與未經(jīng)激光沖擊強化的疲勞源位置有明顯不同。整個過程中靶體表面及內(nèi)部的應(yīng)力場始終在變化，通過abaqus軟件可以清楚地看到整個過程。因此對小孔進行激光沖擊強化處理時, 激光光斑直徑D 應(yīng)滿足: （） 激光脈沖寬度的選擇為了獲得較大的強化深度, 需要采用較大的激光脈沖寬度 。因而y 軸的應(yīng)力狀態(tài)直接影響裂紋的形成和擴展。下圖為本論文模擬時的邊界約束： 第三章 激光沖擊中殘余應(yīng)力場的分析 激光沖擊處理工藝參數(shù)的選擇激光沖擊處理工藝參數(shù)指的是: 激光脈沖( 平均) 功率密度、光斑直徑和激光脈沖寬度( FWHM) ,三者之間的關(guān)系可以表示為:: （）其中, E 為激光脈沖能量, Io 為激光脈沖功率密度,D 為光斑直徑, S為激光脈沖寬度。urve of Laser shock wave pressure對于有限單元區(qū)域, 邊界條件是限制對稱軸上節(jié)點沿半徑方向的位移。（B） 激光誘導(dǎo)沖擊波壓力幅值時間曲線確定在有限元模擬過程中, 假設(shè)激光誘導(dǎo)沖擊波的空間分布是均勻的, 時間分布則由PVDF傳感器記錄的壓電信號經(jīng)積分運算后得到, 積分公式為: （）式中, K為動態(tài)標(biāo)定系數(shù), A為PVDF有效激活面積,R為PVDF兩極并聯(lián)電阻( 50歐 )。（）式中彳為吸收系數(shù)，0．800．95；r為等離子體的絕熱指數(shù)，這里取1．67；Zto，Zco知分別為靶材和約束層材料的聲阻抗，單位kg／m2s； Ka和Kc分別為與能量吸收層和約束層密度有關(guān)的參量，單位kg／m3；P為等離子體的密度，單位kg／m3，可看作為是約束層材料、能量吸收層和工件材料汽化蒸汽的綜合體；而為激光功率密度，單位W／cm2；pmax為沖擊波壓力峰值，單位Gpa。因此，在激光沖擊強化模擬過程中，將沖擊波載荷簡化為作用在沖擊區(qū)域內(nèi)隨時間和空間變化的壓力載荷，然后將其作為載荷直接作用在板料表面。一般來講，網(wǎng)格數(shù)量增加，計算精度會有所提高，但同時計算規(guī)模也會增加，網(wǎng)格較少時，增加網(wǎng)格數(shù)量可以顯著提高計算精度，而計算時間不會有很大的增加。但是JC模型實際上是將材料的力學(xué)行為歸結(jié)為應(yīng)變效應(yīng)、應(yīng)變速率效應(yīng)和溫度效應(yīng)相乘的一種經(jīng)驗型本構(gòu)模型，這與材料的實際流變行為有些不一致，如JC模型中將應(yīng)變速率效應(yīng)看作是應(yīng)變速率對數(shù)的線性函數(shù)，這與一些材料的實際情況不太一致，為此有研究人員提出了應(yīng)變速率效應(yīng)是應(yīng)變速率對數(shù)的指數(shù)函數(shù)：式中：εｐ為塑性應(yīng)變；ε*＝ε／εo ，ε為無量綱應(yīng)變速率，εo為參考應(yīng)變速率；Ｔ*＝ （Ｔ－Ｔｒ）/（Ｔｍ－Ｔｒ），為無量綱溫度，Ｔ 為試驗溫度，Ｔｒ為室溫溫度，Ｔｍ為金屬材料的熔點溫度；Ａ，Ｂ，Ｃ，ｎ，ｍ 為５個待定系數(shù)。 材料的本構(gòu)模型材料本構(gòu)模型是根據(jù)材料及模型的變形情況來選擇的，是綜合考慮的結(jié)果。因此，如何設(shè)置激光沖擊波載荷大小和加載方式是模擬激光沖擊強化的關(guān)鍵問題。為了以最小的計算機時獲得最終靶材表面及內(nèi)部的殘余應(yīng)力場分布, 需要將應(yīng)用動力顯式算法得到的計算結(jié)果導(dǎo)入適合于計算靜態(tài)和自然頻率響應(yīng)問題的靜力隱式算法模塊進行平衡回彈運算。 總體思路為：激光沖擊過程的動態(tài)加載是復(fù)雜的非線性動力學(xué)問題。第二章 疲勞分析的數(shù)值建模激光沖擊工藝復(fù)雜，強化效果影響因素較多，完全采用實驗手段研究該工藝費時費力，數(shù)值模擬可以用來預(yù)測激光沖擊強化效果，根據(jù)有限元模擬獲得的應(yīng)力應(yīng)變結(jié)果進一步的疲勞壽命設(shè)計，可以在設(shè)計階段判斷零部件的疲勞壽命薄弱位置，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，降低開發(fā)成本，為進一步的實驗研究提供參考。對數(shù)值分析過程中的關(guān)鍵問題和相關(guān)設(shè)置進行了處理。2005年國又將激光沖擊延壽逐步推廣到大型汽輪機、水輪機的葉片處理，石油管道，汽車關(guān)鍵部件減量化等。同年美國加利福尼亞大學(xué)Lawrence Livermore國家重點實驗室MIC（Metal Improvement .）開發(fā)研制了平均功率為600W、功率為3GW、每鐘能產(chǎn)生10 個脈沖釹玻璃激光器，成功用于噴氣發(fā)動機扇葉的強化，如圖6 所示。最近， 等人對航空發(fā)動機葉片進行激光沖擊處理，耐疲勞壽命得到顯著提高。最近Yilbas 等人研究了純鋁的激光沖擊強化特性，通過電鏡掃描發(fā)現(xiàn)其內(nèi)部組織也會產(chǎn)生位錯現(xiàn)象。1972 年，美國Battlells Columbus 實驗室的Fairand 鋁合金的顯微結(jié)構(gòu)組織和機械性能，研究表明其屈服強度提高30%。（2）超快。