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激光冲击处理实验时表面变形及残余应力场的数值模拟

激光冲击处理实验时表面变形及残余应力场的数值模拟

摘要

激光冲击处理(LSP)已被提议作为一个有竞争力的替代技术,以经典面处理提高疲劳,耐腐蚀和耐磨损的金属,并且最近已被开发作为一种实用的过程服从生产工程。

尽管有价值的实验已经进行了对增强机械性能的探索,但是一个不足的问题体现在对所需的工序流程参数的预测评估中。

在本文中,提出了一个能够在激光诱导作用的相关分析过程中,由于不同参数的影响而对残余应力及表面变形的预测估计的模型样板。重点是该模型大部分用于激光脉冲中等离子体的膨胀压力下,对固体材料机械行为进行分析。

在模型的帮助下,我们分析了脉冲持续时间.脉冲压力峰值.光斑半径.拍摄张数.重叠拍摄以及材料特性对实验的影响,在这个过程中,三维变形的影响表明了我们通常忽略以前文献中最重要的某些限制因素。

一简介

激光冲击处理已经提出了一个竞争力的替代技术,以经典的治疗方法,用于改善疲劳和耐磨损性的金属,并具最近已经发展成为一个适合于生产技术的实用化进程。

虽然大量的实验工作是为了评估其提高机械性能的能力,但是只有少数的实验工作是对其物理过程的预测评估,并且具体考虑到了真正的物理属性及相关的激光与力学的转化。

此外,虽然提出的简化模型在这些文献中提供了一些实验对比结果,但到目前为止很少去以分析的角度来看固体材料的实际压缩动态(在工程方面目的与实验结果相比是非常复杂的)。在这方面仅有佐野.布雷斯特德和布洛克曼以及以前的其他作者提供了有限范围内的结果。

由于这个原因,一个尝试被决定,在一个因LSP技术引起的力学效应的环境下对数值进行预测评估,并且是一种具有代表性的金属合金技术,然后让其作为一种可以评估和优化实验验证的实用技术方法。具体而言,材料变形及残余应力场的3D分析已被设想出来,并且第一个具有代表性的结果已被分析得到验证。

二模型描述

所开发的计算模型集成包括三个主要模块,分别称为LSPSIM ,HYDRA和HARDSHOCK,同时包括对激光冲击波产生的分析,并且是三个不同但又相互补充的传播途径。HYDRA与时间相关,是一维的拉格朗日动态代码,用于对激光等离子体动力学问题分析的预测评估。在LSP问题中,HYDRA用于对两个金属目标和涂层介质的详细仿真。

LSPSIM是一维的模型,主要用于LSP实验中队目标金属进行压力波估计,它有某些特错误!未定义书签。征,首先,它为具体的等离子体提供直接的输入接

口,并且该等离子体由HYDRA捕获后第一时间与激光相互作用,其次,它提供与时间相关的压力形成和机械目标压缩的估测,在这个较长的时间段,产生的等离子体耗尽,而产生的冲击动力主要是由于气体的扩张。

更具体的说,LSPSIM分析材料的变化差距,假设一个仅有的演化阶段,且可以扩展到处理的结束,即可获得目标的围压介质的差距幅度,

( 1 )

通过求解能量和脉冲方程的耦合系统来求解激光能量沉积施加的热振荡情况P=ρiDiui (2)

用Di=C﹢Sui 作为固体材料方程(3a)

作为气体层(3b)

建立在随时间变化的压力轮廓基础上,且该压力轮廓由HYDRA(短时

间).LSPSIM(较长时间)来核算,HARDSHOCK解决激光传播问题且深入到固体材料本身,同时还特别考虑到材料本身对热变化以及传播波诱使的机械变化的响应(即对弹塑性行为的影响.弹性常数的变化.相得变化等)。

对一个一维问题的处理,一维版本的HARDSHOCK依然可以使用,然而,在这种假设下获得的结果是有严格要求的,并不能代表真正的处理方法。针对这类问题,一个3D的版本,基于有限元分析的商业软件ABAQUS投入了使用,这种三维模拟的几何形状,对应于在一个平面的表面圆柱形状均匀的激光束发生关系,从时间差的角度上,通常采用这种策略,要先明确初始快速激光传播阶段的不同,其次是通过标准隐式差分去分析最终残余应力平衡的问题。从几何的角度来看,两种工作质量已被认为是:一个用压力脉冲处理的轴对称材料允许一个简化的2D轴对称系统处理,但是一个三维形态处理时,必须要考虑到依赖完整的3D过程,相比于先前的工作这个3D配置是这项工作的主要地方。此时,只有机械作用(即变形和应力状态)被分析过,在整个过程中,假定有个存在的区域对整个过程的影响忽略不计。

关于材料的变化,在LSP整个过程中该材料是以受压和动态变形的方式存在,

并且应变率超过,在这种情况下,静态应力与应变关系对表征材料的响应是无效的,相反,一个动态的弹性极限已被应用,约翰逊和库克提出了对这

种限制的计算模型,然而,根据实验经验和提供的典型变形率在实践之中是如此之高。Hugoniot弹性极限(被认为理想的单轴冲击条件下的弹性极限)被认为是一个有效的近似计算。

基于此限制,实际材料的弹性极限在多维几何中的已知关系,

( 6 )

ν是材料泊松比σ是力学弹性极限

根据冯.米赛斯标准,实际材料一侧的屈服强度

( 7 ) 该模型适用于由不同材料通过他们的动态应变-应力曲线这种典型的情况,应力-应变响应的材料一般视为弹塑性材料,尽管在某些情况下,假设没有困难,一个更好的塑性材料甚至可以超过hugoniot弹性极限。

图。1。Ti6Al4 V中最大强度为7.18 ×109W/ cm的激光脉冲与12.5 ns FWHM的相互作用所产生的压力脉冲(LSPSIM模型[15]计算)

三结果

所描述的模型已应用于有关的材料行为模拟,并且以金属合金受LSP条件下

进行的,对于用最大强度和最大持续时间的高斯激光脉冲处理的固体材料的最后结果已被分析得出结论。在LSPSIM的帮助下,所产生的等离子体压力施加到﹙涂层,并假设完好的﹚固体材料上并获得了代表性的实验条件,特性激光参数﹙即最大强度和脉冲持续时间﹚和过程的演变﹙照射的几何形状和表面处理方法﹚对其作用显著。本文所有的结果参阅T16A14V合金,其假定的机械性能如表所示。

T16A14V合金的机械性能

图。2。受一个由25 ns的半高宽和5 GPA峰值压力所形成的圆筒形的压力脉冲压缩的Ti6Al4 V半无限块径向应力分布的时间序列。

3.1 压力脉冲的影响分析

在最大应力水平上的半高宽和峰强度以及轴对称冲击力的穿透性

图2中,用一个已圆筒形应力脉冲压缩技术作为分析样品的能力模型对T16A14V半无限块分析而得出径向应力的时间序列。

在这个序列中,可以观察到应力的动态特性分布在工件中,这个记录不仅是最终的应力图,而且还是分析关键特性的核心步骤。

结果表明了一个重要的事实(由于应用了轴对称二位计算的现实特征)是通过对受冲击材料连续施加压力来诱使瞬态效应有潜在副作用。这是一个明确的结果,LSP过程的有效耦合时间的依赖性以及为了在实际应用中优化所面临的困难。

3.2 被冲击的工件表面尺寸对最大应力水平及抽对称冲击时的刺穿深度的影响分析

通过应用分析,在轴对称二维几何学中第二效应所描述的有限元模型是由于有限的激光光斑尺寸才形成离域的能量,在图3中,在T16A14V中,径向应力的演变的计算结果是由于压力脉冲施加在不同的表面尺寸上表现出来的。

图3 T16A14V中在不同表面上的压力脉冲诱使的径向应力的时间演化

在这种情况下,作为一个由两个主要的耦合机制联结得出的结果,即正常冲击波的衰减,由于为了塑性变形而释放能量,而衰减是由于来自冲击区外侧的侧向稀疏波的到来,特征影响可以在最大径向残余应力处观察到,同时也可以在中性应力的穿透深度处观察到,而残余应力则明显随着冲击表面半径而增加(效果通常预期,由于有更高价值的总能量介入)。由于第二衰减机制的不利影响,中性压力穿透深度的增加一般是被抑制的。这再次揭示了LSP处理时的动态及多维特征以及它为分析而对所描述的现实计算工具的需求。

残余应力和变形的初步估测通过相邻脉冲覆盖扩张表面来获得,只有在全三维几何中作为一个在所描述的模型中有分析的可能性的初步样本时。(扩大可视化)对于一个样本平面T16A14V表面,在有限半径的相邻应力脉冲的应用的影响才会显现出来。这样的结果,与实验数据非常吻合,并且只能有一个全3D的处理,同时是为LSP技术的进行有效评估的绝对需要。

图4 样品结果表明残余应力和(扩大)变形分布是由于T16A14V合金扩展块受25个相邻的参考压力而导致得

四结论

根据冲击波处理原理,所描述的3D有限元模型对因冲击波产生而对固体材料进行分析,通过3DLSP过程的现实功能,一些重要的关键性问题已被解决。

在这点上,被研发的模型以及未来会被得到改进的那些模型已被认为是一种有用的工具,因其可以为金属合金表面改性提出现实的预测评估。在其被考虑的过程中,人们会以它们重要的实际应用价值选择用它与否,结果是乐观的。

五致谢

工作部分支持由MCYT和EADSCASA.

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