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1、安徽工业大学毕业设计论文激光冲击对小孔疲劳寿命的影响Effect of laser shock processing on fatigue life of fastener hole学院 机械工程学院姓名 专业 机械设计制造及其自动化设计日期 指导教师 摘 要激光冲击改性与延寿技术是利用方向.能量高度集中的激光束作为工具，对 材料进行表面改性或延寿。该技术将现代物理学.化学.计算机.材料科学.先进制 造技术等多方面的成果和知识进行综合运用，对构件的选择.设计.制造有重大影 响。 铝合金小孔是构件上典型的应力集中结构细节，在交变载荷作用下极易产生 疲劳裂纹，造成疲劳断裂。故本文采用激光冲击强化技
2、术，通过对比分析，采 用强化效果更好的先激光冲击后开孔的工艺方法。通过实验与数值模拟分析研 究了不同激光冲击下小孔区域的残余应力场及其疲劳性能，并对疲劳断口进行 了相应分析。 研究过程为：首先以 abaqus 软件为平台，制定了小孔强化数值模拟总体思 路，通过对激光冲击工艺参数进行理论分析，提出激光冲击参数的优化区域， 以功率密度，脉冲宽度，光斑直径，冲击次数为研究对象，系统分析在其单独 改变时对残余应力场的影响。 然后通过对疲劳断口的观察，来分析材料抗疲劳性能的强弱。最后通过仿真 分析式样开孔前后残余应力场和冲击前后的疲劳性能得出光斑搭接处理对疲劳 寿命的影响。 关键词：激光冲击处理，疲劳寿
3、命，数值模拟，残余应力场，疲劳断口，铝 合金小孔ABSTRACTLaser shock modification and life-extending technology is the use of the laser beam highly concentrated in the direction and energy as a tool for surface modification or extension of the material. The technology make the comprehensive use of modern physics. Chemistry.
4、 Computer. Materials science.advanced manufacturing technology and other aspects of Results or knowledge.and it has a significant impact on component selection.design manufacturing. Aluminum alloy holes are the typical locations of stress concentration which easily generate fatigue cracks under cycl
5、ic loading and yield fatigue rupture.so this text use the laser shock peening technology.through the comparative analysis.the better process of LSP before hole-drilling was adopted to study the residual stress field of fastener holes at different parameters and its fatigue property by the methods of
6、 experiments and simulations,and fatigue fracture were analyzed. The research process is as following:based on the FEM code ABAQUS,the general idea of Numerical simulation to strengthen holes was set.by the LSP parameters was analyzed,and then presented the optimizing region of LSP parameters.Then,s
7、elected the power density,pulse width,spot diameter and shot numbers as the research object,without considering the interaction between the shock parameters,the effect of laser shock parameters on the residual stress field were studied. Then observating the fatigue fracture indicated the strength of
8、 anti-fatigue properties.Finally,through the simulation we can study the residual stress field of specimens before and after hole-drilling and the fatigue properties of specimens before and after LSP.Then we can get the point of the effect of treatment on the fatigue life of spot overlapping KEY WOR
9、DS:Laser shock processing; Fatigue life；Numerical simulation; Residual stress field; Fatigue fracture; Aluminum alloy第一章 绪 论1.1 前言20 世纪 80 年代英格兰伯明翰大学教授汤姆贝尔提出表面工程的概念。 他认为，表面工程是“将材料表面与基体一起作为一个系统进行设计和改性。 以期获得表面与基体本身都不可能有的优异性能，其成本效益比是很高的。 ”这 一论述十分精辟，它充分说明了表面.材料与性能之间的正确关系，表面技术和 效益之间的关系，以及表面工程的科学意义。 随着科技的
10、进步和工业技术的发展，延长各种类型产品的服务寿命，提 高零部件工作的安全性.可靠性，能够主动地.有效地控制破坏问题，以避免突 然被破坏所带来灾难的需要越来与迫切。裂纹的疲劳破坏是造成结构破坏的一 项重要因素。在各类结构件中，往往由于裂纹的存在而使结构还远没有达到材 料的强度极限时就发生破坏。国内外使用合金材料的压力容器.钻井平台.石油 管道.原子能反应堆.发动机壳体和飞机起落架等关键结构件均发生过断裂事故， 这些灾难性事件大多是由表面裂纹或穿透裂纹扩展引起的。保障关键零部件的 寿命与可靠性，避免疲劳裂纹引发的失效发生，已成为关键零部件修复和延寿 工程中的核心科学问题之一。 铝合金比重小, 但却
11、有着接近或超过优质钢的强度, 具有热胀系数低、易 于成形、热导率高、成本低廉等优点, 广泛应用于航空、航天、汽车、包装、 建筑、电子等各个领域。但是, 铝合金也存在诸多问题, 如在氯离子及碱性介 质存在的情况下,极易发生点腐蚀、缝隙腐蚀、应力腐蚀和腐蚀疲劳等多种形式 的破坏, 硬度较低、摩擦系数高、磨损大, 容易拉伤且难以润滑导致铝合金耐 磨性差。这些在很大程度上都限制了铝合金的使用范围。 近年来，随着高能粒子束的发展，出现了激光冲击强化和离子注入表面处 理等技术，并且已经发展成为抗疲劳断裂制造技术的一个重要组成部分。激光 冲击波技术利用其极高的冲击压力,对材料作冲击改性处理, 在金属的冲击强
12、化 处理和材料的冲击精密成型等领域已获得广泛的应用。1.2 小孔强化的传统工艺介绍下传统孔强化的技术：冷挤压技术和机械喷丸技术。1.2.1 冷挤压技术飞机绝大多数构件是通过在孔中安装紧固件而装配在一起的。孔的周围为 高应力集中区, 是飞机结构的疲劳断裂源。要延长结构寿命, 必须对孔进行强 化。冷挤压能在孔周围产生残余压应力的强化层, 是最有效、简便、实用的工 程强化方法。 冷挤压强化有直接芯棒挤压和加套挤压两种方法。直接芯棒挤压(图a ) , 可以是拉挤, 也可是压挤, 二者作用相同, 只是加力方 式不同。加套挤压(图b )所用芯棒的最大直径略小于孔径, 开缝衬套( 内壁带 干态润滑膜) 在挤
13、压前预先套在芯棒小径部位。挤孔时, 先将芯棒和衬套一起 插入孔中并使枪头牢固对准工件; 启动拉枪后, 活塞回收, 芯棒穿过衬套, 通 过衬套间接挤压孔壁。 由下表可见, 加套挤压孔的疲劳寿命比直接芯棒挤压约高20 % , 而出口端的孔 边凸台高度仅为直接挤压的37 % , 加套挤压效果明显优于直接芯棒挤压。文中 加套挤压试验是在从美国疲劳公司引进的开缝衬套挤孔设备上进行的1.2.2 机械喷丸技术机械喷丸成形是20 世纪50 年代随着飞机整体壁板的应用, 在喷丸强化工艺的基础上发展起来的一种工艺方法。它用以成形外形变化平缓的蒙皮类钣金 件, 这些零件可以是等厚板、变厚度板和带筋整体壁板, 是飞机
14、工业成形整体 壁板和整体厚蒙皮零 件的主要方法之一。机械喷丸成形的基本原理是利用高速弹流撞击金属板件表 面, 使受喷表面的表层材料产生塑性变形, 导致残余应力, 逐步使整体达到外 形曲率要求的一种成形方法。机械喷丸成形时, 每个金属弹丸都以高速撞击金 属板件的表面, 使受喷表面的金属围绕每个弹丸向四周延伸, 金属的延伸超过 材料的屈服极限, 产生塑性变形, 形成压抗, 从而引起受喷表 层的面积加大, 但表层材料的延伸又为内层金属所牵制, 因而在板件内部产生 了内应力, 内应力平衡的结果使板件发生双向弯曲变形, 从而使板料成形。上 下表层为残余压应力 机械喷丸成型后板料的特点： A 上下表层为残
15、余压应力B 受喷表层的材料组织结构发生变化C 受喷表面变得粗糙1.3 激光冲击技术1.3.1 激光冲击强化的原理激光冲击强化技术能提高许多金属材料的抗疲劳断裂性能, 该技术利用高功率密度(大于1 0s w /c m Z )和短脉冲宽度(几十纳秒)的激光束辐照金属表面, 使金属表面的涂层材料瞬时汽化、膨胀、爆炸, 产生一个向金属内部传播的压 力冲击波, 该冲击波的峰值压力高于金属材料的动态屈服极限, 使金属材料产 生密集、均匀和稳定的位错密度。同时, 由于冲击波贮藏的弹性变形能大于或 等于金属材料所需的屈服塑性变形能, 在金属表面产生残余压应力。这两种因 素的共同作用, 提高了金属材料抗疲劳断裂
16、的性能。冲击原理简化流程图 高功率激光待处理表面透明约束层（汽化.膨胀）冲击波残余应力场.晶 体缺陷的形成1.3.2 激光冲击强化的特点1)LSP能形成深度更深且数值更大的残余压应力影响层，通过LSP获得的残余 压应力影响层可达12mm，是喷丸的510倍； 2)LSP所用的激光参数和作用区域可以精确控制，参数也具有可重复性，可以 在同一地方通过累积的形式多次强化，因而残余压应力的大小和强化层的深度 精确可控； 3)由于激光的可达性好，光斑大小可调，且能精确控制和定位，LSP技术能够 处理一些传统工艺不能处理的部位。特别适合对小孔、倒角、焊缝和沟槽等部 位进行强化，甚至能对一些微米级金属零件进行强化7 ； 4)LSP后，金属表面留下的冲击坑深度仅为数个微米，基本不改变被处理零部 件的粗糙度8。对于发动机叶片等对表面形变特别敏感的零部件，冲击强化后1.3.3 激光冲击强化的效应从材料损伤的角度来看, 不论是疲劳还是动态破坏, 都是一个微裂纹( 或空 洞) 成核、演化和失效破坏的连续过程, 材
