文档介绍：第五章小孔激光喷丸强化的实验研究
本章应用上述理论和模拟研究,确定了LY12CZ航空铝合金变形的最小功率密度,对材料为LY12CZ航空铝合金的小孔内壁进行了激光喷丸强化处理实验,对激光喷丸后生成的残余压应力大小进行了测量,从而确定残余压应力场分布规律与激光参数之间的关系;对激光喷丸强化前后的小孔构件进行疲劳寿命试验,对比激光喷丸前后试件的疲劳寿命,确定经过激光喷丸强化处理的构件疲劳增寿效益,并对激光喷丸强化后的孔壁表面质量和断口进行了分析,确定经过激光喷丸强化后的小孔内壁表面硬度有所提高,所形成的强化层的残余应力和位错胞状结构对裂纹的扩展起到了一定的抑制作用,从而提高了小孔的疲劳寿命。
试样的制备
试样材料
实验材料为LY12CZ航空铝合金,。
LY12CZ铝合金的化学成分
成分
Mg
Si
Cu
Fe
Zn
Ni
Mn
Al
含量%
余量
LY12CZ铝合金的力学性能
力学
性质
E
275
415
13%
70
2780
试样的制备
为了便于装夹和后续疲劳实验,选用单孔试样为研究对象,。
试样小孔内壁与反射锥表面经过酒精清洗,冷风吹干后,在反射锥表面均匀的涂一层黑漆作为吸收层,,其中采用水作为约束层,黑漆作为涂层,通过反射锥与垫块之间的螺纹配合控制反射锥的位置,从而达到精确控制激光喷丸强化区域。
试件的形状和尺寸
图 小孔内壁激光喷丸强化装置简图
确定最小功率密度
小孔激光喷丸强化是利用激光诱导的冲击波对孔壁进行冲击形成一定厚度的残余压应力层来实现的。但是只有当激光诱导的冲击波压力峰值大于材料的动态屈服极限时,靶材才会有相应的塑性变形,在材料表层形成残余压应力场。而冲击波的峰值压力与激光束的功率密度大小直接相关,所以激光器发出的功率密度必须大于某一临界值,其诱导的冲击波冲击靶材后才会形成残余压应力场。相反,已知材料的动态屈服极限,就可以计算出使材料产生塑性变形的最小冲击波峰值压力,进而可得到所需的最小激光功率密度。由第三章知材料的动态屈服强度远高于其静态屈服强度,材料动态屈服强度与静态屈服强度的关系[78-79]:
(5-1)
已知LY12CZ航空铝合金的静态屈服强度,根据上式,计算可得LY12CZ航空铝合金的动态屈服强度。
由式(3-24)激光诱导的冲击波峰值压力估算公式得峰值压力与激光功率密度之间的关系:
(5-2)
计算可得导致LY12CZ航空铝合金材料产生塑性变形,
由式(3-3)知,激光单次激发所需要的最小能量与激光功率密度、激光脉冲宽度以及激光光斑直径之间的关系为。在试验中激光脉冲宽度为23,光斑直径为8mm,。
实验结果分析
由激光喷丸强化机理可知,小孔内壁在激光喷丸强化后,孔壁表层材料发生一定深度的塑性变形,形成厚度超过1mm的残余压应力层[64],残余压应力会抑制裂纹的萌生和扩展,从而提高了小孔的疲劳寿命。但是激光喷丸强化后形成的残余压应力分布复杂多变,为了研究激光喷丸过程中各个参数对残余压应力场的影响,就要精确的测量喷丸强化后小孔孔周的残余应力大小与分布。
小孔内壁激光喷丸强化后产生的残余压应力的测量方法主要有X-射线衍射法、应力释放法、Raman光谱法、中子法、钻孔法、柔度法以及剥离电解抛光法等。其中工程中最常用的是X-射线衍射法,它属于一种非破坏性的测量手段,是根据材料晶面间距的变化测量应力,晶粒是由很多晶胞组成,材料受力产生应变,相应的晶粒中晶胞的晶面间距会发生变化。根据布拉格定理有[80-81]:
(5-3)
由上式可知,在弹性应变作用下,晶胞的晶面间距会发生变化,且这些变化必定会影响X射线衍射峰值的位移,,根据这些位移量即可确定应力值:
(5-4)
式(5-3)中,是晶面在无应力状态下的X射线衍射角,是材料在经过激光喷丸强化后晶面对
X射线的衍射角,为材料表面法线与所选晶面法线的夹角,。
衍射晶面与试样表面夹角时的衍射几何关系
用X-射线衍射法测定小孔的残余应力时,首先要利用作图法求出~直线的斜率,所以为了减小测量误差,在试验中分别选取=0°,15°,30°,45°,60°五个不同的方位进行测量,