受控激光喷丸强化中残余应力的表征与实验研究

论文摘要

受控激光喷丸强化的本质是在被处理材料中获得适度的残余应力分布,从而实现特定的强化效果。本课题针对激光喷丸中工艺控制的关键问题——诱发的残余应力的表征进行系统研究,为主动实现对激光喷丸强化后残余应力的优化控制提供依据,主要工作如下:（1）以高能短脉冲激光与材料相互作用诱导高幅冲击波的物理机制为基础,探讨了高幅冲击波加载下金属材料的力学响应以及冲击波诱导残余应力生成的机理,分析了影响残余应力大小和分布的主要因素。探索了激光喷丸强化诱导残余压应力的表征方法,引入残余应力的估算理论模型,分析了残余应力沿层深分布的计算方法。（2）以ABAQUS软件为平台,建立了高应变率条件下激光喷丸过程的有限元分析模型,编制专用的激光喷丸强化分析模块,对激光喷丸诱导的表面动态应力、残余应力各表征值和工艺参数之间的关系以及喷丸后板料表面微观形貌进行了有限元模拟研究,同时预测了单联中心孔疲劳试件喷丸后的残余应力分布,为激光喷丸过程中工艺参数选择和表面质量的有效控制研究提供理论依据。（3）使用六西格玛统计过程控制技术进行激光喷丸强化工艺参数优化研究,利用Minitab软件中的Taguchi设计方法对模拟方案进行试验设计,提取各种激光工艺参数下的残余应力表征值数据进行处理,通过信噪比分析和方差分析确定了各因素对残余应力表征值影响的显著性程度,从中筛选出较优的影响因子水平,在此基础上使用因子设计方法对喷丸后的强化效果进行响应优化设计,确定最佳激光工艺参数组合,为激光喷丸强化过程的参数优化和残余应力控制提供指导。（4）典型材料激光喷丸试验,用X-衍射应力测定仪测量了激光喷丸区材料表面残余应力分布,同时结合电解抛光等工艺测量了沿厚度方向的残余应力分布,测试了喷丸前后材料表面的涂层形貌、冲击坑的形貌、材料显微硬度及表层显微组织的变化,分析了其形成的原因。探讨了激光喷丸区产生的塑性变形与残余应力分布之间的内在联系,表明实验结果与数值模拟及理论分析吻合较好,为受控激光喷丸强化工艺的进一步研究提供了依据。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 机械喷丸强化技术
• 1.1.1 机械喷丸强化基本原理
• 1.1.2 受控机械喷丸强化及其残余应力的表征
• 1.1.3 受控机械喷丸强化的应用及存在问题
• 1.2 激光喷丸强化技术
• 1.2.1 激光喷丸强化的基本原理及技术特点
• 1.2.2 激光喷丸强化技术的研究现状
• 1.3 受控激光喷丸强化技术的提出
• 1.3.1 受控激光喷丸强化的基本思路
• 1.3.2 受控激光喷丸强化的研究意义
• 1.3.3 受控激光喷丸强化工艺参数的确定
• 1.3.4 受控激光喷丸强化中的残余应力问题
• 1.4 本文研究的主要内容
• 第二章 激光喷丸强化诱导残余应力的理论分析
• 2.1 激光冲击波压力加载下残余应力的产生
• 2.1.1 激光冲击波加载下材料表层的塑性变形过程
• 2.1.2 激光冲击波加载下材料中残余应力的产生机理
• 2.2 受控激光喷丸强化中残余应力的表征
• 2.2.1 受控激光喷丸强化中残余应力表征值的确定
• 2.2.2 激光喷丸诱导残余应力的估算理论模型
• 2.2.3 激光喷丸强化诱导的残余应力的测试方法
• 2.2.4 残余应力沿层深分布的测量与计算
• 2.2.5 三维残余应力的测量与计算
• 2.3 激光喷丸强化诱导残余应力的影响因素分析
• 2.3.1 零件材料性质对残余应力的影响
• 2.3.2 工艺条件对残余应力的影响
• 2.3.3 激光参数对残余应力的影响
• 2.4 本章小结
• 第三章 受控激光喷丸强化中残余应力的有限元分析
• 3.1 激光喷丸强化诱导残余应力的有限元分析方法
• 3.1.1 ABAQUS软件简介
• 3.1.2 激光喷丸强化诱导残余应力有限元模拟的理论基础
• 3.1.3 有限元模拟过程中关键问题的处理
• 3.1.4 求解时间的确定
• 3.2 残余应力分析
• 3.2.1 单点激光喷丸强化后的残余应力分析
• 3.2.2 激光喷丸工艺参数对残余应力表征值的影响
• 3.2.3 不同轨迹下激光喷丸强化诱导的残余应力分析
• 3.2.4 疲劳拉伸试样激光喷丸强化后的残余应力分析
• 3.3 激光喷丸过程中材料表面形貌的可视化分析
• 3.4 基于Minitab的激光喷丸强化残余应力表征值的统计与优化
• 3.4.1 激光喷丸强化后残余应力表征值的Taguchi设计
• 3.4.2 Taguchi方法设计结果分析
• 3.4.3 激光喷丸后强化效果的响应优化设计
• 3.4.4 响应优化设计结果分析
• 3.5 本章小结
• 第四章 受控激光喷丸强化诱导残余应力的实验
• 4.1 实验装置和仪器
• 4.2 实验试样与方案
• 4.3 激光喷丸强化实验结果分析
• 4.3.1 激光喷丸强化后的涂层形貌分析
• 4.3.2 激光喷丸强化诱导的残余应力测试分析
• 4.3.3 板料表面的冲击坑形貌及其与残余应力关系分析
• 4.3.4 显微硬度分析
• 4.3.5 显微组织分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 总结与展望
• 5.1 总结
• 5.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的论文