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激光冲击强化残余应力的有限元模拟
欧洲.物理•J.AP23,83-88(2003)欧洲应用物理朵志
D0I:
10.1051/epjap:
2003037
激光喷丸诱导的残余应力的有限元模拟
P.Peyrel^a,A.Sollierl,I.Chaieb2,L.Berthel,E.Bartnickil,C.Braham2,和R.Fabbrol
接收于:
2002/18通过2003/04/08
发表于:
2003/06/12
摘要:
激光冲击强化的益处已被证实的领域,如疲劳,穿几次或应力腐蚀开裂。
然而,尽管在残余应力计算上的最近的工作中,有相当一部分编者已经考虑了用有限元法(FEM)的方法来预测激光诱导机械的效果。
这主要来源于在激光冲击的高应变率(第106章-1),有必要进行动态性能的精确测定,也可以从可能的组合的热和在低压没有保护涂层的情况下的机械载荷。
在本文中,我们的目标是提出一个全球性问题的方法,从负载条件和动态屈服的决心在含12%Cr马氏体不锈钢诱导的优势,完成与残余应力场的有限元计算钢和7075铝
合金。
PACS.62.50.+p高的斥力和冲击波效应的固体和液体的-68.35.gy机械性能;表面应变。
1引言和基本的激光喷丸
激光冲击强化是目前公认的一种有效的表面处理方式,以改善金属表而的电阻[1],对疲劳磨损或腐蚀侵略[2]。
近30年前开始巴特尔研究所对许多己被研究的材料就有能力去加强,如铝,钢或钛合金,激光冲击现在已经达到产业的这一步,因为多个应用程字己被证明。
人们可以提出LP处理风扇叶片锋利的边缘对飞行物体的损坏(F0D),在核电厂加强的热影响区域靠近焊接接头[3],还有许多迎面而来的应用程序的细节已经由GE公司投入[4]0近来,来自美国政府的特别拨款,以改善治疗的适用性,连同出现的新的高韵律激光源[5],增加关于LP的研究。
基本过程现在清楚地表明[1,2]:
高强度的几个GW/cm2激光脉冲赋予金属靶,蒸发的第一颗原子弹等离子层(近lpm的/次),并创建一个等离子体。
这高温(高于10000K)和高压(GPA)等离子的金属,当在金属中扩展时,诱发可塑化的金属表而并诱发压应力的冲击波。
常见的配置,称为作为“密闭的烧蚀机制”,使用:
(1)一个保护涂层,以避免热效应,和
(2)浸渍水层下面的照射目标(>1毫米),以捕获等离子体,并与直接照射机制相比增加其床力(因子5)和持续时间(因子2)(图1)。
在通常的配置,LP赋予材料的残余应力,与受影响的深度可达2毫米,该值远远大于那些通过常规射诱导喷丸或超声喷丸处理系统。
两年或三年以來,据报道有限元模拟,在LP-诱导的残余应力领域,主要是轴对称的条件下,钛铝合金,常规的[8]或非常小的(〈0.1毫米)的影响[9]。
我们的工作遵循这些有限元方法,并使用实验确定的床力负荷,冲击材料的屈服强度和残余床力测定,以证模型。
单次冲击影响负荷和最多3个已提交给目标,并与实验值对比。
在下文中,残余应力的测崑无论是由X-射线衍射得到的(XRD)方法,使用通常的20=(SIN2屮),或通过深入的增量钻孔法测定[10]o
水
涂层(50-100纳米)
图1在水密闭的激光冲击强化基本方案
目标(半无限体)
2有限元模型和分析
商用有限元软件ABAQUS[11]被用来计算激光冲击期间和之后的应力和变形分布对金属的影响。
为了分析激光诱导的冲击波,而他们在金屈靶的传播,既考虑到水动力衰减的冲
击波,还有弹塑性材料的行为。
因此,有儿个参数必须加以考虑,例如:
恿荡屈
服强度的金WHEL(Hugoniot弹性极限),雨贡纽曲线:
圧力P(GPA)对粒
子的速度U(米/秒),包括声阻抗pD其中P=pDU(p二密度和D=
soundvelocity的二CO+SU),和一个机械包括一个应变关系如率相关
Johnson-Cook本模型。
状态方程(EOS)提供了一个水动力材料,其中的材料的体积强度由EOS决定。
在我们的例子中,EOS的作为D-U线性(GR“uneisenEOS)o可塑性模型,对应于偏部分的应力,第2.3节中。
2.1轴对称啮合
为了模拟应用在顶表而上的圆形的激光冲击材料,可以假设一个轴对称模型。
因此,轴对称模型已经建立,它允许计算残余应力引起的圆形影响(单次或重复),在一个近似半无限体内。
“模型由CAX4R元素(连续,轴对称,4个节点,减少集成),与使用了Y-方向的偏置功能,允许更密集的网的表面附近。
随着这些条件下,40X40=1600个元素用于啮合的4X6毫米的机身(图2)。
“厚度的金属(6毫米)被选择以避免触电波反射,其残余影响:
2-3毫米以下的冲击波是完全弹性的,效果是微不足道的。
涂层(通常为70-100微米铝粘合剂)是用來保留在表而上从热效果也被啮合,以便再现真正的机械负荷提交到目标。
事实上,在涂层-金属界面,类型不匹配声阻抗效应的出现,它允许增加(时Zcoating=pcoatingDcoating
“Ztargetw)的压力振幅。
例如,为100pm的铝涂层,可以增加25%的校正因素提交到钢的压力振幅10-20纳秒激光脉冲[6]。
在我们的例子中,一个80微米铝通过使用4个元件行列啮合涂层(20微米/元)。
最后,我们用模型的边界条件得出固体的底表面在3轴上的所有的计算步骤并没有位移。
P(t)
图2轴对称目(4毫米X6毫米=40X40=1600元素)用于有限元模拟
2.2计算步骤
有限元计算,2步进行,两者•均为进行了在ABACUS/明确的代码,这是专门用于动态分析。
在第一个步骤中,压力脉冲(参见2.3节)提交的目标,推动震荡波和衰减深入。
总步数之间的时间范闱为200ns和500ns的(两倍以上的压力脉冲持续时间),从而使冲击波的行为完全弹性。
第二步骤计算的残余变形,并应力场。
它的持续时间近1毫秒(以两个数星级不再比第1步时间前面已经提到[8]),以达到一个恒定的状态。
这两个步骤需要约1小时的计算时间分析1激光冲击事件。
随后,附加的激光冲击可以通过使用其他的计算步骤模拟(步骤3和4的第二冲击...)o
2・3物料
P.Peyre等:
有限元模拟残余应力引起的激光冲击强化85
表1中物理和机械的材料特性的金属
P
(kg/m3)
Co(m/s)
Cel
(m/s)
S
-4(MPa)
HEL(MPa)
B(MPa)
Tkclt
(°C)
nC
含12心的铁
7800
4500
6000
1.5
870
2000
300
1520
0.4
0.14
纯铝
2700
5380
6600
1.6
120
300
300
650
0.35
0.1
7075-T7351
铝合金
2780
5380
6600
1.6
•130
1050
350
620
0.4
0.12
12%Cr不锈钢是一种工业用的材料,这是其良好的耐腐蚀性,主要用于涡轮叶片和在高温下的耐疲劳性。
7075是一个非常广泛使用的铝合金航空应用,由于其高的机械阻力。
他们的物理和机械的性质归纳在表1中,连同与纯的铝,作为保护涂层。
要重现的在高的应力-应变的依赖性应变速率具有各向同性,Johnson-Cook塑性法硬化使用,考虑到的应变速率依赖之间的应力£0=10.2。
1(准静态负载)和£eq=106中一(激光冲击情况下)。
因此,CTeq被表示为:
也=(A+B碼)[l+CLn(卽5-(^尸]
(1)
与T0二参考温度=20
作为对比,以前的调查张等。
[9]在非常小的影响,选择了构斯坦伯格模型考虑压力的影响。
在我们的情况下,不断的冲击在被发现后的屈服强度HEL根据LP(见第3.2)在不同圧力下,使我们不考虑任何的雳撼与依赖的HEL圧力。
3测定的动态载荷与冲击屈服强度与VISAR诊断
我们提出以下一些实验结果VISAR测速技术,使我们同时确定压力负荷和
Hugoniot弹性在激光喷丸条件的限制。
3・1压力随时间变化的载荷
加载条件作为输入值ABACUS显式VISAR(速度任何反射干涉仪)圧力测定为2.5ns,10ns和25ns的脉冲持续时间。
这种技术可以让我们通过测量
门由表而速度背后不同箔厚度(与使用在探头的激光束多普勒效应),图。
3。
有限元模拟衰减过程中的震荡幅度在7075铝合金的传播(3GW/cm2-25NS影响准确地确定P二F(T)配置文件[6,10]o因此,真实的实验P二F(T)配置文件已被使用在代码中输入负荷。
在2.5ns的脉冲的情况下,8GPA的最
大压力可产生(20GW/cm2),只有5GPA为10-25ns的脉冲(8-10GW/cm2)。
半宽的压力脉冲持续时间:
6-7NS为2-3ns的脉冲,20-25纳秒为10ns的脉冲(图3),20-25纳秒激光脉冲的45-50纳秒。
这些驱动负载条件不同的受影
响深度:
小的情况下,短的影响(3纳秒),由于一种快速弹性塑料衰减冲击波的深入,20-25ns的脉冲持续时间。
一个例子震荡深入的波的衰减是在图3中所示,对于一个3GW/cm2-25ns的影响上的7075铝合金。
图3有限元模拟衰减过程中的震荡幅度在7075铝合金的传播(3GW/cm2-25NS影响)。
3・2的冲击屈服强度的测定
Hugoniot弹性极限(HEL),对应于产生纯单轴冲击负荷的优势下,己经考虑弹性前驱体的冲击波确定在传播过程中的薄箔[6]。
确实,由丁差异之间的弹性和塑性的速度,速度的冲击波的弹性部向离开的倾向塑料部件,从而形成一个命名为高原等的拐点弹性的前兆。
图4典型的压力随时间变化的负荷确定VISAR技术的使用2个不同的激光脉冲持续时间(3ns和10ns的),行驶到最大的激光强度压力值(7.6GPa和5.2GPA)o
在这种情况下,12%的0的马氏体钢的实验的HEL价值,确定后面的1.8毫米箔,被认为是2+/IV'0.2帕(图4),这对应至1150兆帕的动态屈服强度根据于下式:
在7075铝合金,弹性前驱体实验近1.05帕(图5),这表明了动态屈服强度600兆帕。
对于这两种材料,离应变率在LSP激起了30-40%的增长修改HEL值的屈服强度。
因此,约翰逊-库克模型值也有被修改(见表1:
C系数二0.14),以重现真正的塑性流动限制在106S-lo
3impactsI:
:
j—1-
II•
Experimental(XRD):
iii
468/、10
x(mm)
图6诱导对12Cr钢的残余应力的仿真8GW/cm2-25NS-6毫米的圆形影响(5GPA)。
证据的应力的影响的中心孔。
对照
3影响治疗后的X射线衍射测量。
4有限元模拟
4・1有12钻钢激光冲击强化单/多影响和不同的脉冲持续时间
激光冲击强化大多采用圆形的影响,交付YAG激光棒。
当进行材料产生的激光的影响己被证明挑起中心应力降(忘记了自己等人[14]),由于收敛处产生的扩增表面Rayleigh波边缘的影响。
这种现象,这是不是真的为匸业的关键始终执行的应用,因为LP大量的影响和重叠,可以再现方便地与一个轴对称的计算,如图
图6为一个8GW/cm-2-25ns的影响在12珞钢。
径向(b11)和周向残余应力((733)被认为是儿乎等效的,而(J22(沿激波传播)是弱的。
中央残留应力水平为接近OMPa时,而在r/2,-300兆帕的级别显示。
3影响LP治
疗,该协议实验测定之间(通过X-対线衍射)和计算值是相当不错的,即使有限元模拟低估的残余应力水平近TOO兆帕。
这种差别可能來门初始残余应力水半,或收率的变形与第2次的影响,还没有计算在我们的模型中(通常可以忽略不计的一阶<+10%最大硬化)。
实验和模拟的深入应力(图7)表现出相同的演变,但再次的
模拟低估了应力幅值,尤其是在第一个200微米(-600-700兆帕的经验,-400至-500兆帕的仿真)。
这种差异的部分内容可能是由于实验应力测定(增量式钻孔法),X射线衍射测量表明-600MPa最大水平。
最后,对模拟应力拉伸下方震
荡影响深度值的和最多为150兆帕,而实验数据并没有表现出重要子surfacepositive压力后,LP(可能是由于应力测定包括了很多假设的方法应力消除)。
-200
•400
1impact
2impacts
3impacts
experimental(3impacts)
图7—个8GW/cm2-25纳秒激光冲击强化有限元数值模拟与1,2和3上
的12Cr钢的影响。
比较与深入实验测定(钻孔法)
图8实验(X射线衍射)与模拟残余由一个单一的10GW/cm2-2.5纳秒激光诱导应力场脉冲(估计压力二5GPA)-
2depth(mm)3
图9实验和模拟之间的深入比较应力值(7075-NS3GW/cm2-25)。
确定的值在r/2(一半的半径)o
(Ave.Grit•:
75%)
+1.259e+08
+8>186e+07
+3.781e+07
-6.237o*06
•5.028*07
-9.433e+07
•1.384H08
・1.824308•2.265I08
・2.705*08•3.146Z08■3•58Ge$08・4.027e*08
图10残余应力场后(周向应力b33)3影响3GW/cm2-25NS(GPA)7075合金(表面应力二-230MPa时,受影响的深度为3毫米)。
4.2的7075铝合金激光冲击强化
仍真和实验的比较XRD测定在图9屮所示,对于一个三个“3GW/cm2(GPA)-25ns的”激光冲击。
表面水半和受影响的深度似乎是相当不错转载通过模拟
(-170兆帕与-160兆帕表面后级-360兆帕的影响,对-290兆帕后3影响)。
以上,一般RS领域的发展与多个影响如下的实验结果,与具有多个表而和深入的应力增加影响(近3毫米3的影响后,比1.5毫米后的影响)。
这与所有以前的作品LP表示受影响的深度更深的多个影响[2,13,14]o制图学的周。
33应力(图10)清楚地显示在中心的应力降循环的影响,其中的最低值是接近至-80兆帕。
超出受影响的区域,表征的是在最髙值120兆帕下拉伸。
5结论
轴对称有限元模型的计算通过激光喷丸诱导的残余应力被视为
是一个有效的方法来预测在上材料引起的表面变形。
与实验结果的比较在12Cr钢在7075-T7351铝合金给予了相当不错的协议,表面或深入的残余应力场。
对丁•这Hugoniot弹性极限的目的,精确的数据和压力载荷(由VISAR诊断确定)被证明是有用的作为模型的输入值。
然而,许多工作仍有待完成。
例如,无涂层,可以提到的LP模型,同时涉及的机械和热负荷,或3D建模的复杂结构的情况下,LP在(凹孔)。
另一个重要的问题可能來自材料的性能在高应变的定义率,循环性能与特定的重点。
参考文献
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