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1、目录目 录目 录I不锈钢单点激光喷丸数值模拟与试验研究IV摘 要IVAbstractV第一章 绪论11.1 引言11.2 奥氏体不锈钢的应力腐蚀开裂机理21.2.1 应力腐蚀产生的条件21.2.2 应力腐蚀的机理31.2.3 应力腐蚀开裂的过程31.2.4 应力腐蚀的裂纹特征和断口形貌31.3 本文的研究目标及内容5第二章 激光喷丸的机理72.1 弹丸喷丸72.1.1 弹丸喷丸的原理72.1.2 弹丸喷丸的工艺参数72.1.3 弹丸喷丸提高抗应力腐蚀能力的机理82.1.4 传统弹丸喷丸强化工艺的不足92.2 激光102.2.1 激光原理简介102.2.2 激光的特性112.3 激光喷丸122.
2、3.1 激光喷丸强化原理122.3.2 激光喷丸试验方法142.3.3 激光喷丸优点15第三章 激光喷丸有限元分析模型173.1 有限元法概述173.1.1 有限元法的发展173.1.2 有限元法的优越性和局限性183.1.3 有限元法的基本思路193.1.3 大型有限元计算软件ABAQUS的简介193.2 激光喷丸有限元分析模型203.2.1 激光喷丸材料模型203.2.2 残余应力有限元的公式21第四章 单点激光喷丸有限元模拟及分析224.1 引言224.2 有限元模型建立224.2.1 激光喷丸温度场分析224.2.2 模型几何尺寸224.2.3 材料力学性能234.2.4 单元类型和网
3、格划分244.2.5 载荷和边界条件244.3 单点激光喷丸的计算结果及分析254.3.1 不锈钢单点激光冲击后残余应力分布254.3.2 激光强度的影响294.3.3 激光光斑半径的影响32第五章 不锈钢单点激光喷丸试验研究355.1 概述355.2 不锈钢单点激光喷丸试验355.3 单点激光喷丸试样残余应力测定365.3.1 X射线测定方法365.3.2 测量原理365.3.3 衍射峰位置的确定385.3.4 应力测量误差395.3.5 测试仪器395.3.6 试验数据415.4 不锈钢单点激光喷丸的有限元模拟425.4.1 ABAQUS模型的建立425.4.2 模拟数据435.5 数值模
4、拟和试验结果的比较43第六章 总结与展望456.1 总结456.2 展望45致 谢47参考文献48VAbstract不锈钢单点激光喷丸数值模拟与试验研究摘 要消除焊接残余应力是一种提高不锈钢焊接接头抗应力腐蚀性能的可行方法。铸钢丸喷丸因钢丸容易产生碎片残留在工件表面，有时会引起电化学腐蚀或电偶腐蚀，反而降低了抗腐蚀能力；玻璃喷丸因是无机物，没有这样的问题，但存在噪音和粉尘污染。激光喷丸与上述两种方法相比，具有很多优势，是一种绿色的，对环境无污染的方法。本文应用大型通用有限元计算分析软ABAQUS对不锈钢单点激光喷丸过程进行了动力学模拟，得到了残余应力分布。数值模拟结果表明：（1）在相同激光光斑
5、半径情况下，残余压应力随峰值压力增大而增大；（2）在相同峰值压力情况下，激光光斑半径对残余压应力影响较小。本文还对不锈钢进行了单点激光喷丸，并应用X射线衍射法测定了激光冲击强化层残余应力，有限元模拟结果与测定结果比较发现两者趋势一致。本文的研究结为今后进一步研究激光喷丸提高不锈钢焊接接头抗应力腐蚀性能提供了基础。关键词：激光冲击强化（激光喷丸），残余应力，冲击波，有限元分析Finite Element Simulation and Experimental research on One-point Laser Shock Peened Stainless Steel PlateAbstrac
6、tEliminating the weld residual stress is an effective method to improve the corrosion resistance of weld joints of stainless steels. Electrochemistry corrosion or electric couple corrosion occur in the surface of stainless steel weld joints caused by the steel fragments leaving on the surface of joi
7、nts during the process of cast steel shots peening, which reduce the abilities of corrosion resistance. As a kind of mineral, glass beads havent this problem, but noises and the pollution of dust. Compared with the above two methods, laser shock peening is a green method, which has many advantages.F
8、inite element analysis techniques have been applied to predict the residual stress induced from laser shock peening. Main conclusions are summarized as follows:(1) Under the condition of the same beam radius, the more peak pressure is, the more residual compressed stress induced by laser peening is;
9、(2) Under the condition of the same peak pressure of laser shock wave, the value of laser beam radius have little effect to the residual compressed stress induced by laser peening. A sample with square shape was peened by one-point laser shock. The residual stress distribution in the sample has been
10、 measured by X-Ray diffraction method. Comparison between the numerical results and the experimental data has been made, they have a good agreement. Keywords: Laser shock peening; Residual stress; Shock waves; Finite element analysis第一章 绪论第一章 绪论1.1 引言应力腐蚀开裂（Stress Corrosion Cracking，SCC），是载荷和介质共同作用下
11、的亚临界裂纹扩展过程，是金属材料在特定腐蚀环境下受拉伸应力作用时所产生的延迟开裂现象，并对介质和材料的组合具有选择性。应力腐蚀的断口呈脆性，危险性极大。美国杜邦公司调查各类腐蚀统计结果表明：局部腐蚀占27，应力腐蚀占35，其它类型的腐蚀约占38，可见应力腐蚀在各类腐蚀中占的比例是相当大的 安宏, 赵声玉. 石化行业若干应力腐蚀事例分析. 腐蚀与防护. 2004, 25(8)。引起应力腐蚀必须具备的条件是拉应力、腐蚀介质和材料对腐蚀介质敏感。其中拉应力是发生应力腐蚀开裂的必要条件；通常拉应力越大，发生开裂的时间越短。应力腐蚀直接关系到安全生产：解决和减轻这类问题是设计工作者的责任。在设计过程中需
12、考虑腐蚀环境，严格执行标准规范，这样可能大大减少设备运行中的维修费用，以及停产带来的经济损失等。表1.1 引起SCC的应力源引起SCC的应力件数比率，%1成型加工厂残余应力（弯管、矫形、胀管）5145.12焊接残余应力（包括衬里）35313铆接、螺栓连接的残余应力21.84安装引起的残余应力21.85切削加工、锻造的残余应力21.86工作时的热应力17157工作时的承载应力43.5共计113100由上表可以看出，工程设备中的残余应力是造成应力腐蚀开裂的主要原因。因此，必须设法消除成型加工厂残余应力和焊接残余拉应力。不锈钢应力腐蚀开裂往往是在没有预兆的情况下突然发生的，经济损失大，危害严重，它遍
13、及石油、化工、纺织、造纸、医药、原子能、宇宙航行以及海洋开发等使用不锈钢的所有部门，约占湿态腐蚀损坏事故的47%。不锈钢应力腐蚀开裂一般都发生在焊接接头的焊缝附近，主要原因是存在焊接残余应力。近30年来人们对不锈钢焊接接头的应力腐蚀开裂进行了大量研究，积累了丰富的知识与经验。这些研究主要侧重于应力腐蚀机理、试验方法、影响因素等方面。对于防止不锈钢焊接接头应力腐蚀开裂的方法的系统研究则很少。本章将对奥氏体不锈钢的应力腐蚀开裂机理，消除焊接残余应力的主要方法，喷丸技术及其应用等方面的发展状况进行了简要评述，重点介绍这些领域的最新成果。1.2 奥氏体不锈钢的应力腐蚀开裂机理1.2.1 应力腐蚀产生的
14、条件一般情况下，产生应力腐蚀开裂应具备两个条件：一是要有足够大的拉应力；二是要有特定的腐蚀环境（包括腐蚀介质的成分、浓度和温度等） 胡方. 化工设备中奥氏体不锈钢的应力腐蚀和防护. 化工设备与管道. 2002，39（3）：51-54。应力腐蚀开裂是由拉应力与腐蚀环境共同作用的结果。（1）拉应力的存在拉应力不一定是外力造成的，它可能来源于构件制造过程中（如轧制、焊接等工序所形成的残余应力）；也可能来源于过盈装配。试验证明：应力大小影响应力开裂历程，它存在一个界限应力强度，当应力满足这个临界条件才能发生SCC，反之则不会发生 左景伊. 应力腐蚀破裂. 西安: 西安交通大学出版社，1985- 小若正
15、伦日金属的腐蚀破坏及防蚀技术北京：化学工业出版社，1988。当然在某些场合，这个界限值是很低的 褚武扬氢损伤和滞后断裂北京：冶金工业出版社，1988。（2）特定的腐蚀环境引起奥氏体不锈钢应力腐蚀的常见介质有：各种氯化物或含氯化物的溶液（包括盐水、海水、河水、井水、高温高压水、水蒸汽和海洋性大气等）、氢氧化物、硝酸和硝酸盐、氢氟酸、氟硅酸和含氟离子的水溶液、硫化氢水溶液、硫酸和亚硫酸等，而且腐蚀介质的浓度无需很高。奥氏体不锈钢会在氯化物浓度仅百分之几的高温水中发生SCC。1.2.2 应力腐蚀的机理目前，对应力腐蚀机理的研究还处于研讨阶段，没有明确的规定 陆世英不锈钢应力腐蚀事故分析与耐应力腐蚀不锈钢北京：原子能出版社，1985。对于各种不锈钢环境体
