沖擊波金屬材料論文范文

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1實(shí)驗(yàn)

材料吸收激光能量發(fā)生一系列物理化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生一個(gè)高溫高壓的等離子吸收層，激光能量在等離子體吸收層被電子繼續(xù)吸收轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，同時(shí)等離子體迅速向周圍空氣膨脹，壓縮周圍空氣，形成沖擊波，作用于金屬表面并向內(nèi)傳播對(duì)材料改性[8-12]。改變激光能量、光斑形狀和脈寬可改變沖擊波能量、壓力分布和作用時(shí)間。在這個(gè)過程中，一個(gè)約束層(水，玻璃)施加于金屬表面，可以更好提高約束等離子體向外膨脹，提高沖擊波作用于金屬表面壓力，為保護(hù)金屬材料不被激光直接燒蝕，吸收保護(hù)層貼于金屬表面，通常為鋁箔，黑漆和膠帶。在該實(shí)驗(yàn)中，激光沖擊參數(shù)為，能量3J，激光波長(zhǎng)1064nm，脈寬10ns，圓光斑且直徑3.4mm，此時(shí)功率密度3.3GW/cm2，單次沖擊，水為約束層，鋁箔為吸收保護(hù)層。選用的實(shí)驗(yàn)材料為TC4鈦合金，是一種α+β兩相高強(qiáng)度鈦合金，具有高強(qiáng)度、高塑性、淬透性好和可焊接等優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于制造飛機(jī)結(jié)構(gòu)零件。TC4板材厚為3mm，在一些研究中，2mm以上厚度的板材可消除板材底面反射波影響。殘余應(yīng)力測(cè)試采用X射線衍射法，采用Proto-LXRD型X射線衍射儀進(jìn)行殘余應(yīng)力測(cè)試，采用Ti靶，衍射面為(302)，測(cè)試執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為ASTME975-84。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。圖1為靶材表面沿光斑徑向的分布。光斑中心的殘余壓應(yīng)力約為420MPa，峰值壓力出現(xiàn)在離光斑中心1mm處，約為540MPa，說明在單次沖擊中TC4鈦合金殘余應(yīng)力場(chǎng)存在中心壓應(yīng)力缺失現(xiàn)象。

2仿真

激光誘導(dǎo)沖擊波對(duì)金屬材料強(qiáng)化主要由兩個(gè)典型的過程組成：激光誘導(dǎo)等離子體爆轟波產(chǎn)生沖擊壓力；靶材在瞬態(tài)沖擊壓力作用下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。前者是等離子體產(chǎn)生與形成的復(fù)雜物理過程，后者是高速、高應(yīng)變率的材料動(dòng)態(tài)響應(yīng)力學(xué)過程，也是文中研究重點(diǎn)。假設(shè)吸收層能夠很好地保護(hù)工件不受任何熱影響，則兩個(gè)過程可看作相互獨(dú)立，相互之間通過沖擊壓力聯(lián)系。所以，仿真也可分為兩部分加以考慮：(1)激光誘導(dǎo)等離子體爆轟波壓力的計(jì)算；(2)靶材動(dòng)態(tài)響應(yīng)仿真模型的建立。通過改變激光沖擊參數(shù)，調(diào)整為不同的沖擊波加載方式，采用顯示動(dòng)力學(xué)有限元算法對(duì)沖擊波作用過程仿真，得到不同形式?jīng)_擊波加載對(duì)“殘余應(yīng)力洞”的產(chǎn)生過程和分布規(guī)律，同時(shí)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證，以其得到不同沖擊波的影響機(jī)制。

2.1激光誘導(dǎo)等離子體爆轟波壓力的計(jì)算沖擊波是材料塑性變形的直接因素，激光凝聚加熱靶物質(zhì)，引起靶中的熱應(yīng)力、熔融、汽化和燒蝕，靶蒸氣等離子體吸收入射激光，其膨脹運(yùn)動(dòng)的反沖引起沖量、應(yīng)力波甚至很強(qiáng)的沖擊波，法國(guó)Fabbro[13]對(duì)該過程提出的沖擊波模型為。時(shí)空分布特性，在得到對(duì)應(yīng)的爆轟波壓力后同時(shí)對(duì)脈沖激光的時(shí)間分布特征一般通過脈沖寬度來衡量。脈沖寬度τ(以下簡(jiǎn)稱脈寬，F(xiàn)WHM)是指半功率點(diǎn)之間的時(shí)間間隔。根據(jù)Fabbro[13]等人的研究結(jié)果，激光誘導(dǎo)等離子體爆轟波的作用時(shí)間大約為激光脈寬的2～3倍，甚至更長(zhǎng)。根據(jù)激光脈寬作用時(shí)間內(nèi)以及激光作用結(jié)束后的變化規(guī)律，對(duì)靶面受到的壓力-時(shí)間歷程曲線進(jìn)行簡(jiǎn)化，如圖2(a)所示。激光誘導(dǎo)爆轟波壓力呈高斯分布的因素加以考慮，如圖2(b)所示。

2.2TC4鈦合金動(dòng)態(tài)響應(yīng)模型J-C模型是最為常用的反應(yīng)材料動(dòng)態(tài)性能的本構(gòu)模型[14]，J-C模型的公式是基于實(shí)驗(yàn)得到的，流動(dòng)應(yīng)力表示為。式中：ε表示塑性應(yīng)變；ε*=ε/ε0是無量綱塑性應(yīng)變率；T*=(T-T0)/(Tm-T0)為無量綱溫度；T0為室溫；Tm為材料熔點(diǎn)；常數(shù)A、B和n反映了材料的應(yīng)變硬化特征；C反映應(yīng)變率對(duì)材料性能的影響；m反映溫度軟化效應(yīng)。綜合考慮實(shí)現(xiàn)的難易程度和實(shí)用性，在激光沖擊處理過程中，由于靶材表面的吸收層(通常為鋁箔)保護(hù)材料不受熱作用，即認(rèn)為激光沖擊是單純的力效應(yīng)，忽略其熱效應(yīng)，并且根據(jù)其是中等沖擊強(qiáng)度而忽略沖擊引起的溫度效應(yīng)，于是就可以將J-。

2.3求解參數(shù)(1)時(shí)間步長(zhǎng)及單元尺寸在文中，設(shè)定時(shí)間步長(zhǎng)為0.2，此時(shí)獲得的步長(zhǎng)可獲得較光滑的壓力曲線，與實(shí)際情況吻合較好。在單元尺寸的選取中，對(duì)于沖擊區(qū)域內(nèi)部，采用0.05mm尺寸，而對(duì)于沖擊區(qū)域外的部分，采用0.2mm尺寸。這樣設(shè)計(jì)在保證不影響計(jì)算精度的同時(shí)，極大縮短了計(jì)算時(shí)間。(2)動(dòng)態(tài)振蕩的阻尼在真實(shí)的激光沖擊強(qiáng)化過程中，應(yīng)力波在靶材內(nèi)部的傳播會(huì)因?yàn)樗苄詰?yīng)變中的耗散和體積粘滯性的影響而逐漸衰弱。在數(shù)值計(jì)算中，為了盡量反映真實(shí)情況，會(huì)在模型中加入阻尼，以限制模型的非真實(shí)振蕩。加入的阻尼主要為體粘性和材料阻尼兩種方式。體粘性，采用默認(rèn)的體粘性系數(shù)BV1。材料阻尼，最佳的阻尼值應(yīng)取模型第一階固有頻率的兩倍。模型的固有頻率可以在ANSYS隱式程序中通過模態(tài)分析得到。

3結(jié)果和討論

沖擊波與材料相互作用后，最終在材料中形成穩(wěn)定殘余應(yīng)力場(chǎng)。通過改變激光功率密度，脈寬和光斑形狀可調(diào)整沖擊波壓力，作用時(shí)間和加載區(qū)域，不同沖擊波加載下，金屬材料響應(yīng)結(jié)果也有所不同。

3.1沖擊波加載形狀的影響沖擊波加載形狀可由激光光斑形狀調(diào)整。激光光斑有圓形、方形兩種。兩種光斑的區(qū)別不僅在于形狀的差別，誘導(dǎo)的沖擊波也有區(qū)別，對(duì)應(yīng)到數(shù)值仿真中，則考慮成加載區(qū)域和能量壓力加載的區(qū)別。圓形光斑前文已有介紹，此處只分析方形光斑。對(duì)于方形光斑的情況，美國(guó)2001年的高周疲勞科學(xué)技術(shù)計(jì)劃，已有研究。具體做法是通過在激光束前加入適當(dāng)?shù)睦忡R組，以改變光斑的輸出形狀，使之成為方形。并且通過調(diào)整后輸出的方形光斑，其內(nèi)部的能量近似均勻分布，僅在光斑的邊緣處才會(huì)呈現(xiàn)陡峭的減小(見圖3)。所以，在仿真建模中對(duì)于方形光斑的加載情況，可以將光斑內(nèi)的爆轟波壓力分布簡(jiǎn)化為均勻分布。時(shí)間分布特性依舊采用圖5中時(shí)間特性。選用激光脈寬為10ns，功率密度為4.2GW/cm2的激光沖擊參數(shù)做圓形、方形兩種光斑形狀的對(duì)比分析。此處參數(shù)與文中實(shí)驗(yàn)所采用功率密度相近。加載方式如圖4所示。兩種加載方式仿真結(jié)果表明，在被沖擊的上表面會(huì)產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，出現(xiàn)了殘余壓應(yīng)力洞現(xiàn)象。在圓形加載中，加載區(qū)域中心處殘余壓應(yīng)力值為172MPa，峰值出現(xiàn)在離中心區(qū)域約0.6mm處，值為626MPa，在光斑的邊緣處為316MPa，離光斑中心5mm處殘余應(yīng)力值降到0MPa左右，模擬結(jié)果和文中實(shí)驗(yàn)結(jié)果在趨勢(shì)上是一致，說明仿真結(jié)果具有合理性。方形加載中表面的最大壓應(yīng)力約為650MPa，與圓形光斑情況相當(dāng)，而光斑中心的殘余壓應(yīng)力約為460MPa，從中心到表層殘余壓應(yīng)力變化梯度較小，一定程度上改善了中心壓應(yīng)力缺失現(xiàn)象。由文中分析可知，激光誘導(dǎo)沖擊波加載為局部加載，材料表面光斑中心處的微元在表面卸載波的作用下發(fā)生反向塑性加載，導(dǎo)致了中心壓應(yīng)力的缺失。在表面選取距離光斑中心最近的節(jié)點(diǎn)，并讀取零到1000ns時(shí)間歷程中的徑向速度進(jìn)行分析，如圖6所示。由圖可看出，沖擊波圓形加載下的最大反向速度為12.6m/s，而方形加載的最大反向速度為5.2m/s。方形光斑的表面稀疏波速度較慢，強(qiáng)度較弱，從而"殘余應(yīng)力洞"現(xiàn)象不會(huì)如圓形加載下嚴(yán)重。分析原因認(rèn)為，圓形加載中邊界的任意一點(diǎn)都關(guān)于圓心對(duì)稱，從而沖擊載荷邊界產(chǎn)生的稀疏波將會(huì)完全向光斑中心匯聚，因而稀疏波的強(qiáng)度較大；而方形加載下沖擊載荷邊界不具有圓心對(duì)稱的特性，產(chǎn)生的稀疏波向中心匯聚的過程中一部分會(huì)相互抵消掉，從而表面稀疏波強(qiáng)度相對(duì)較弱。

3.2激光脈寬的影響激光脈沖持續(xù)時(shí)間變化后，爆轟波壓力的作用時(shí)間也就隨之改變。一般規(guī)律為激光脈沖越大，沖擊波持續(xù)時(shí)間也越長(zhǎng)。加載結(jié)束后，中心節(jié)點(diǎn)的殘余應(yīng)力和最大的反向速度如圖7所示，15ns和20ns時(shí)的稀疏波速度相當(dāng)，約為14.9m/s，脈寬為10ns的較弱為12.6m/s，在最后穩(wěn)定的殘余應(yīng)力場(chǎng)中，加載中心單元的壓應(yīng)力缺失現(xiàn)象以10ns表現(xiàn)最弱，15ns、20ns時(shí)較嚴(yán)重。在不改變激光能量下，延長(zhǎng)沖擊波作用時(shí)間會(huì)加劇“殘余應(yīng)力洞”現(xiàn)象。

3.3功率密度的影響按照Fabbro模型計(jì)算不同激光功率密度下對(duì)應(yīng)的沖擊波壓力，進(jìn)行單次圓形光斑加載。不同功率密度下，靶材表面徑向殘余應(yīng)力分布如圖8所示。分析可得，表面殘余壓應(yīng)力峰值隨著功率密度增加而變大，功率密度為3.2GW/cm2時(shí)，在表面形成的峰值殘余壓應(yīng)力為607MPa，中心殘余壓應(yīng)力值為170MPa，變化梯度為72%；而當(dāng)功率密度增加到4.2GW/cm2時(shí)，峰值殘余壓應(yīng)力增加至780MPa，而中心殘余壓應(yīng)力值為165MPa，變化梯度為79%；當(dāng)功率密度再增加到6.0GW/cm2時(shí)，表面峰值殘余應(yīng)力基本沒有變化，而此時(shí)中心殘余應(yīng)力為136MPa，變化梯度為83%。隨著功率密度增加，殘余應(yīng)力變化梯度也隨之增加，殘余應(yīng)力洞表現(xiàn)更加明顯。分析原因認(rèn)為，沖擊波壓力的增加，導(dǎo)致卸載時(shí)表面稀疏強(qiáng)度增加，形成的反向塑性變形量大，致使殘余壓應(yīng)力變化梯度增加。

4結(jié)論

文中對(duì)激光誘導(dǎo)沖擊波加載金屬材料中心壓應(yīng)力缺失現(xiàn)象進(jìn)行了相關(guān)研究，結(jié)果表明：(1)“殘余應(yīng)力洞”現(xiàn)象發(fā)生在沖擊波卸載反向加載過程，具體原理為在一個(gè)激光脈沖消失后，激光誘導(dǎo)等離子體爆轟波沖擊下發(fā)生塑性應(yīng)變的部分受到周圍未變形的部分的限制，而發(fā)生的反向的塑性變形，在TC4鈦合金激光誘導(dǎo)沖擊波改性的實(shí)驗(yàn)中，也觀察到這一現(xiàn)象。(2)通過改變沖擊波壓力、作用時(shí)間和光斑形狀研究不同加載條件下沖擊波對(duì)中心壓應(yīng)力缺失的影響。方形光斑的邊界受到約束產(chǎn)生的稀疏波向光斑中心匯聚時(shí)會(huì)有一部分相互抵消，中心壓應(yīng)力缺失效應(yīng)比圓形光斑弱；增大沖擊波壓力和延長(zhǎng)沖擊波加載時(shí)間會(huì)增強(qiáng)表面稀疏波，中心節(jié)點(diǎn)的反向速度會(huì)增加到某一量值，會(huì)增大中心壓應(yīng)力缺失效應(yīng)。

作者：王波陳東林周留成何衛(wèi)鋒單位：空軍工程大學(xué)航空航天工程學(xué)院