【導(dǎo)讀】料進(jìn)行表面改性或延壽。該技術(shù)將現(xiàn)代物理學(xué).化學(xué).計(jì)算機(jī).材料科學(xué).先進(jìn)制造技。術(shù)等多方面的成果和知識進(jìn)行綜合運(yùn)用，對構(gòu)件的選擇.設(shè)計(jì).制造有重大影響。疲勞裂紋，造成疲勞斷裂。故本文采用激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)，通過對比分析，采用。強(qiáng)化效果更好的先激光沖擊后開孔的工藝方法。通過實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬分析研究了。殘余應(yīng)力場的影響。然后通過對疲勞斷口的觀察，來分析材料抗疲勞性能的強(qiáng)弱。益之間的關(guān)系，以及表面工程的科學(xué)意義。裂紋的疲勞破壞是造成結(jié)構(gòu)破壞的一項(xiàng)重要。極限時(shí)就發(fā)生破壞。性事件大多是由表面裂紋或穿透裂紋擴(kuò)展引起的。保障關(guān)鍵零部件的壽命與可靠。電子等各個(gè)領(lǐng)域。但是,鋁合金也存在諸多問題,如在氯離子及堿性介質(zhì)存在的。度較低、摩擦系數(shù)高、磨損大,容易拉傷且難以潤滑導(dǎo)致鋁合金耐磨性差。在很大程度上都限制了鋁合金的使用范圍。

　　

【正文】 裂紋擴(kuò)展第二階段后期的 典型照片。如圖所示 , 未經(jīng)激光沖擊強(qiáng)化的材料疲勞裂紋擴(kuò)展速率明顯加快 , 每一周期疲勞紋擴(kuò)展距離在 3 Lm以上 , 且紋之間產(chǎn)生的二次裂紋更多更明顯 , 說明材料破壞向內(nèi)部擴(kuò)展。而激光沖擊強(qiáng)化試樣雖然疲勞紋也有加寬 , 但擴(kuò)展穩(wěn)定 , 沒有觀察到二次裂紋?？梢宰⒁獾?, 在激光沖擊強(qiáng)化材料的疲勞斷口上 , 觀察到較多位于相同高度的云紋狀平臺 , 如圖 ( b) 所示。這是因?yàn)槠诹鸭y擴(kuò)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(qiáng)化鋁合金低周疲勞的重要特征。 圖 。 ( a) 未受沖擊試樣疲勞斷口的疲勞紋 。 ( b) 激光沖擊試樣疲勞斷口的疲勞紋 SEM photo sat the ending of II stage in fat iguecrack propagation zone. ( a ) fatigue striations of nonlasershocked sample。 ( b ) fatig ue striations of lasershocked sample 由于本實(shí)驗(yàn)加載應(yīng)力大于試驗(yàn)材料的屈服強(qiáng)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。當(dāng)材料的 Rb / R0. 2達(dá) 1. 4時(shí) , 將表現(xiàn)出循環(huán)硬化現(xiàn)象。從疲勞斷口的擠壓脊可以看到 , 材料在應(yīng)變過程中尚有相當(dāng)大的塑性形變 , 其產(chǎn)生的形變抗力將使材料產(chǎn)生一定的 / 循環(huán)硬化 0 效應(yīng) , 這種疲勞過程中的強(qiáng)化效應(yīng)抑制了 二次裂紋的發(fā)生 , 也在一定程度上提高了材料的疲勞性能。圖 為疲勞試樣瞬時(shí)破斷區(qū)的 SEM 形貌圖 。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(kuò)展區(qū)實(shí)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。瞬斷區(qū)主要由大小不同、偏向一側(cè)的韌窩組成 , 呈現(xiàn)韌性材料的斷裂特點(diǎn)。兩者的主要區(qū)別在于由于疲勞紋擴(kuò)展形式的不同帶來的疲勞擴(kuò)展區(qū)面積的差異和殘余應(yīng)力的有無 , 斷裂時(shí)的真實(shí)應(yīng)力有所不同。未經(jīng)激光沖擊強(qiáng)化的材料 , 斷裂時(shí)的真實(shí)應(yīng)力較大 , 最后瞬時(shí)斷裂速度大 , 在斷口上呈現(xiàn)大小較均勻的韌窩 。 而在激光沖擊強(qiáng)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 , 在圖 ( b) 上可以看到許多細(xì)小的韌窩分散在斷口上 ,這與試驗(yàn)材料的金相組織相吻合。 圖 瞬斷區(qū)的 SEM 照片 (a) 未受沖擊試樣 。 (b) 激光沖擊試樣 Fig. SEM photos of final rupture ( a) nonlasershocked sample。 ( b) lasershocked sample 斷 口表面粗糙度分析 粗糙度是裂紋擴(kuò)展方式的直接結(jié)果。它取決于材料的微觀結(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)裂紋擴(kuò)展的應(yīng)力條件、裂紋尖端區(qū)域的形變和斷裂機(jī)制。一般，疲 勞斷裂經(jīng)過三個(gè)階段：疲勞源萌生、疲勞裂紋擴(kuò)展和疲勞瞬斷。由于疲勞源區(qū)最早形成，且裂紋擴(kuò)展速率緩慢，擴(kuò)展步長較小，而且，由于裂紋閉合效應(yīng)，兩個(gè)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。而隨著疲勞裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展，裂紋尺寸不斷增大，實(shí)際承受載荷有效面積逐漸減小，試樣的受力狀態(tài)發(fā)生改變，試樣承受應(yīng)力逐漸增大，裂紋閉合效應(yīng)逐步減弱，疲勞裂紋擴(kuò)展速率加快，裂紋擴(kuò)展步長增大，造成該區(qū)域粗糙度增大。當(dāng)疲勞裂紋擴(kuò)展到臨界尺寸時(shí)，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。斷口不同區(qū)域的粗糙程度反映了疲勞斷裂時(shí)不同時(shí)段試樣所承受的載荷信息。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(gè)斷口不同區(qū)域的粗糙度進(jìn)行了測量，實(shí)驗(yàn)儀器如圖 。測量區(qū)域面積為 120x91pm2，每個(gè)斷 i： 3選取三個(gè)測量區(qū)域：疲勞源區(qū)，距疲勞源 0． 5mm區(qū)，距疲勞源 1． 0mm區(qū)。 圖 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。表 96． 9MPa和 106． 6MPa下的疲勞斷口不同區(qū)域粗糙度測量值，表中未沖擊樣 (96． 9MPa)代表末經(jīng)激光沖擊處理試樣在平均載荷 96． 9MPa下所對應(yīng)的疲勞斷口，激光沖擊樣 (96． 9MPa)代表經(jīng)激光沖擊處理后的試樣在平均載荷 96． 9MPa下所對應(yīng)的疲勞斷口，未沖擊樣 (106． 6MPa)和激光沖擊樣 (106． 6MPa)代表含義類似。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 。 圖 （ a） 疲勞源區(qū) （ a） The region of the crack initiation 圖 （ b） 距疲勞源 0． 5ram區(qū) Fig（ b） 0． 5mm away from the crack initiation 圖 （ c） 距疲協(xié)源 1． Omm (c) away from the crack initiation 表 5． 7激光沖擊與未沖擊試樣在不同平均應(yīng)力水平下疲 勞斷口不同區(qū)域粗糙度值 Table 5． 7 Roughness of fatigue fracture of untreated specimen and specimen by LSP 圖 5． 8為不同處理狀態(tài)下疲勞斷口不同區(qū)域粗糙度對比坐標(biāo)圖。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(kuò)展方向距疲勞源距離的增加粗糙度逐漸變大，這主要是因?yàn)榱鸭y擴(kuò)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?yàn)榧す鉀_擊強(qiáng)化致使試樣表層產(chǎn)生了殘余壓應(yīng)力，高密度位錯(cuò)及晶粒細(xì)化，這些都抑制了裂紋擴(kuò)展速度，裂紋擴(kuò)展步長減小，因此表現(xiàn)出粗糙度變?。虎蹖τ谕惶幚頎顟B(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(gè)區(qū)域粗糙度均小于 106． 6MPa所對應(yīng)的疲勞斷口。說明同一處理狀態(tài)下，載荷越小，裂紋擴(kuò)展速率越小，裂紋擴(kuò)展步長越小，從而粗糙度越?。虎軐Ρ人姆N疲勞斷口的粗糙度，可發(fā)現(xiàn)，對于三個(gè)區(qū)域粗糙度平均值，其中激光沖擊樣在平均應(yīng)力 96． 9MPa下平 均粗糙度最小，而未沖擊樣在平均應(yīng)力 106． 6MPa下平均粗糙度最大，其平均粗糙度大小排列順序依次為：激光沖擊樣(96． 9MPa)未沖擊樣 (96． 9MPa)激光沖擊樣 (106． 6MPa)未沖擊樣 (106． 6MPa)，這與 4種試樣所對應(yīng)的疲勞壽命大小順序相同，這說明斷面平均粗糙度與疲勞裂 紋擴(kuò)展速率呈相同趨勢，且斷面平均粗糙度，疲勞壽命越大。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(qiáng)弱，激光沖擊強(qiáng)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(kuò)展速率，裂紋擴(kuò)展 步長減小，裂紋閉合效應(yīng)增強(qiáng)，表現(xiàn)出斷面粗糙度較小。 圖 _卜 疲勞斷口不同區(qū)域粗糙度對比 Fig． Roughness of fatigue fracture under different treatments 本章總結(jié) 1．疲勞斷口分析表明：對于未沖擊試樣，疲勞源出現(xiàn)于小孑 L邊緣附近，裂紋擴(kuò)展呈放射狀，而對于單面激光沖擊處理后的試樣，疲勞源出現(xiàn)在試樣未沖擊面的小孔邊緣附近，裂紋擴(kuò)展呈弧線狀，這主要是因?yàn)榧す鉀_擊強(qiáng)化后在材料表層產(chǎn)生了殘余壓應(yīng)力，以及晶粒細(xì)化和位錯(cuò)組織，使 得沖擊面抗疲勞性能增強(qiáng)，疲勞裂紋擴(kuò)展于此區(qū)域時(shí)，主裂紋的擴(kuò)展受到一定阻力，途中突然發(fā)生轉(zhuǎn)折，朝向材料強(qiáng)度薄弱方向擴(kuò)展。這說明，激光沖擊強(qiáng)化處理改變了裂紋擴(kuò)展方向，抑制了裂紋擴(kuò)展速率，從而提高了試樣的疲勞壽命。 2．?dāng)嗫诒砻娲植诙妊芯勘砻鳎浩跀嗫谘亓鸭y擴(kuò)展方向距疲勞源距離的增加粗糙度逐漸變大，這主要是因?yàn)榱鸭y擴(kuò)展的不同階段試樣承受載荷水平不同所致；在同一載荷水平下，激光沖擊處理后試樣疲勞斷口不同區(qū)域的粗糙度相比未沖擊處理試樣疲勞斷口對應(yīng)區(qū)域粗糙度較小，這是因?yàn)榧す鉀_擊強(qiáng)化致使試樣表層產(chǎn)生了殘余壓應(yīng)力，高密 度位錯(cuò)及晶粒細(xì)化和位錯(cuò)組織，使得沖擊面抗疲勞性能增強(qiáng)，疲勞裂紋擴(kuò)展于此區(qū)域時(shí)，主裂紋的擴(kuò)展受到一定阻力，途中突然發(fā)生轉(zhuǎn)折，朝向材料強(qiáng)度薄弱方向擴(kuò)展。這說明，激光沖擊強(qiáng)化處理改變了裂紋擴(kuò)展方向抑制了裂紋擴(kuò)展速率，從而提高了試樣的疲勞壽命。 致 謝 在 ***教授的引導(dǎo)以及各位師兄的幫助下，我最終完成了論文。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。在這個(gè)過程中我學(xué)到的不止是對該論題的理解，還有在這個(gè)過程中我學(xué)到了科學(xué) 的方法，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)乃伎挤绞剑唤z不茍的態(tài)度，以及對人生的規(guī)劃。人生也可以當(dāng)作論文，我可以按同樣的方法去了解它。 我是一個(gè)將要踏上社會的青年，我要將我在學(xué)校里學(xué)到的東西帶入社會，在同學(xué)和父母的支持下，我相信我會走的更遠(yuǎn)。這個(gè)畢業(yè)設(shè)計(jì)是我走向人生的一個(gè)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(shí)的邁向遠(yuǎn)方。 在此向張興權(quán)教授以及學(xué)長們表示感謝，感謝這段日子對我的照顧和悉心教導(dǎo)。同時(shí)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。 在 此項(xiàng)向你們深感表謝，有你們的支持我會飛的更高，因?yàn)槟銈兘o了我永不停止的動(dòng)力！ 參考文獻(xiàn)