激光喷丸强化铜锌合金的疲劳特性研究说明书论文
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学号： （14403314） 常 州 大 学毕 业 设 计 （ 论 文 ） 外 文 翻 译（2018 届）外文题目 Effects of laser shock processing on high cycle fatigue crack growth rate and fracture toughness of aluminium alloy 6082-T651 译文题目 激光冲击处理对 6082-T651 铝合金高周疲劳裂纹扩展速率和断裂韧性的影响 外文出处 International Journal Of Fatigue 学 生 时夏楠 学 院 机械工程学院 专 业 班 级 装备 143 校内指导教师 刘 麟 专业技术职务 副教授 校外指导老师 专业技术职务 二 一八年二月常州大学本科生毕业设计第 2 页 共 21 页激光冲击处理对 6082-T651 铝合金高周疲劳裂纹扩展速率和断裂韧性的影响摘要：研究无保护涂层的激光冲击加工对高周疲劳裂纹扩展和断裂韧性的影响。 激光冲击强化处理是在垂直于裂纹生长方向的两侧对紧凑拉伸试样进行，然后进行后续研磨。 疲劳裂纹扩展试验在 116 和 146 Hz 之间的频率下进行，在 R = 0.1 和疲劳裂纹萌生阶段和 K 减少期间的恒定应力强度范围内进行。疲劳预裂纹需要的循环次数较少，并且 LSP 处理的试样中的疲劳裂纹扩展更快。 LSP处理后，裂纹增长值下降了 60。 LSP 处理后断裂韧性下降 28 -33。断裂表面的疲劳延展性过渡边界显示未处理样品中的线性疲劳裂纹前沿和 LSP 处理后的曲线。2016 Elsevier Ltd.保留所有权利。1 介绍激光冲击处理（LSP）是一种相对较新的表面处理技术，可延长动态加载元件的使用寿命。几项研究已经证明 LSP 通过压力冲击波引起的材料局部塑性变形产生大振幅压应力来降低疲劳裂纹扩展速率。 由于疲劳裂纹通常从表面开始，所以在外部载荷下，锁定的压缩应力将叠加在所施加的应力上，导致裂纹开端处的应力强度因子更小并且可能的裂纹闭合导致有效驱动力的降低。由于位错和显微组织的晶粒细化，LSP 也可以提高疲劳强度和疲劳裂纹萌生寿命。Huang 等人证实了由于在 Al-Mg-Si 合金的 LSP 处理表面中高度缠结。致密的位错排列而降低的 FCG 速率。在另一项研究 Lu 等人报道了 LSP 后 Al-Cu-Mg 合金显微组织细化。 结果证实，LSP 是获得高密度位错以提高耐疲劳性的有前途的方法，而多次LSP 冲击后顶面中的最小晶粒尺寸大约是 100-200 纳米。此外，与传统的喷丸硬化相比，激光加工产生的残余应力可以显着更高，并且材料中更深的有效穿透 。Huang 等人报道了不同工艺设置下 LSP 对 6061 T6 铝合金疲劳裂纹扩展性能的有益影响。他们的结果表明 FCG 率随着激光能量的增加而降低和 LSP 覆盖区域特别是在疲劳裂纹扩展初期。然而，随着裂纹扩展，残余应力释放，疲劳裂纹扩展的最后阶段的强化效应较弱。在另一项研究中，Hatamleh 等比较了搅拌摩擦焊接的 Al-Zn 合金（7075-T7351 ）接头中 FCG 的激光和喷丸强化效果，报告与 LSP 处理试样的基材相比，FCG 率降低，而喷丸硬化显示可忽略不计的改善的 FCG 速率。然而，尽管使用保护涂层的 LSP 工艺已经被证明是用于改善各种金属和合金的疲劳寿命，耐腐蚀性，硬度和耐磨性。但是存在一些限制这一过程广泛应用的负面因素。关于最后一次，即 2015 年辛辛那提第 5 届激光喷丸及相关现象国际会议的公开讨论 10 指出在工业现场应用中需要新的策略。基本上，激光冲击处理实现可观的位错合并和压缩残余应力的产生是两种主要方法：（ i）第一种方式，使用高能量激光脉冲，与保护涂层结合的脉冲持续时间长达常州大学本科生毕业设计第 3 页 共 21 页100 ns。（ ii）第二种方法使用较少的焦耳或更少的次序，增加与重叠。较小的斑点和无涂层（也称为 LSPwC）的较低激光能量。尽管加工零件上的保护涂层可以防止表面烧蚀，同时保持较高的表面质量，但这是一件非常耗时的事情，因为在 LSP 过程中覆盖层受到严重损坏，并且需要频繁更换，从而使其在工业应用中变得缓慢并且昂贵。此外，由于部分喷丸处理可能无法应用保护性覆盖，因此人们非常关注 LSP 处理，而不需要保护性覆盖层。 然而，在该过程之后，由于局部表面烧蚀而获得具有增加的表面粗糙度和波纹的典型表面凹坑，其继而产生高压等离子体，由于在样品表面上流动的薄层水所包含，产生压力波传播到标本中。基于公开的文献，关于疲劳裂纹扩展的没有保护涂层的激光冲击加工已经进行了很少的全面研究，并且在随后的研究程序中没有评估疲劳特性以消除未涂保护层的 LSP 诱导的表面。Rubio-Gonzalez 等人研究了双层非涂层 LSP 工艺对 2205 双相不锈钢和 6061-T6 铝合金的紧密张力试样的影响。结果证实，随着脉冲密度的增加， FCG 速率下降而断裂韧性增加。 尽管有许多关于激光加工对材料疲劳裂纹扩展性能影响的研究，但是关于激光冲击处理的不利影响的文献是有限的。此外，所有上述研究都是在预先已知的疲劳预裂纹，低正弦波频率和低周疲劳状态下的高最大负荷之后进行的。考虑到这一点，并且早期认识到过早失效在工程部件中起着至关重要的作用，未涂层 LSP 对疲劳裂纹扩展速率影响的详细研究将得到评估。特别关注于确定高谐振频率下动态载荷下的疲劳裂纹扩展行为， 使用小负载和高循环疲劳方案测量裂纹生长速率。为了获得静态载荷下最终破裂阶段和未处理 LSP 试样的断裂韧性的定量比较。通过位错排列，残余应力和深度分布中的显微硬度，由于局部表面熔化，电离，和激光过程中的再凝固而可能产生的软化效应。所有正在研究的 LSP 样品都要在后续的研磨过程中进行分析，以获得合适的表面光洁度。2 试验方法2.1 材料和标本制备对商业锻制的 Al-Mg-Si 铝合金板 用于疲劳裂纹扩展和断裂韧性测试。三个样本在未处理的条件下进行测试，并且三个样本用不同的参数集进行 LSP 处理：LSP 1，LSP 2 和 LSP 3.使用 0.35mm 电线的放电加工制造凹口形成一个半径为 0.19 毫米的凹口。用于 Rumul Cracktronic 装置和 Krak-gauge AMF-5 测试的试样的几何形状见图2。使用所施加的应力强度范围 DK，根据该等式计算。2.2 激光冲击处理使用具有 1064nm 的照射波长：YAG 激光器进行激光冲击处理。最大激光束能量为 2.8J/脉冲，而产生的高斯强度脉冲的 FWHM（全宽度半最大值）为 10ns。聚焦激光常州大学本科生毕业设计第 4 页 共 21 页图 2 C（ T）试样的几何形状和测量电阻计 AMF-5X束直径通过会聚透镜的修改而变化。在 LSP 1，LSP 2 和 LSP 3 处理中使用的光束直径设定为 1.5，2.0 和 2.5 毫米。在这项研究中，选择了 1600 脉冲/cm 的预定重叠脉冲密度，其中激光前进方向平行于轧制方向（L） 。使用激光冲击处理方法在没有任何保护涂层的情况下对样本进行照射，而激光脉冲重叠并且以锯齿形图案扫描（ 图 3） 。使用设置的水射流形成薄水层并避免形成水泡或由材料烧蚀产生的杂质浓度，因此，不断确保纯激光物质相互作用。 C（ T）标本上的治疗区域大约是 10mm 在样品的两侧。对于透射电镜微观结构分析，额外的 LSP 标本准备使用。图 1.拉伸和 C（ T）标本取向铝表格 1 平均测量的 6082-T651 板的拉伸性能负载方向 L T拉伸强度 - R（ MPa） 311 310屈服应力 - R（ MPa） 296 295伸长率 - A（） 9.7 8.5常州大学本科生毕业设计第 5 页 共 21 页图 2 C（ T）试样的几何形状和测量电阻计 AMF-5 图 3.激光冲击处理设置和处理的 C（ T）样品图 4 C（ T）试样（ a）不处理， （ b） LSP 1 处理后， （ c）研磨后的 LSPLSP 处理后（ 图 4） 。 在激光冲击处理之前，没有启动预裂纹。 然而，用于 TEM分析的样本没有以任何方式磨碎以获得由激光喷丸处理产生的代表性微结构。2.3 表面粗糙度在接近预加工切口的表面经过激光表面处理之后，使用 Surtronic 轮廓测量仪（ Taylor Hobson）和 xy 微米滑动台行程来测量表面轮廓和粗糙度。使用TalyProfile Lite v.3 软件，采用 2.5 微米的微粗糙度滤波比率和高斯滤波器来提取粗常州大学本科生毕业设计第 6 页 共 21 页糙度参数。用于评估表面粗糙度的所选参数是 R，它是与测量长度上的平均线的平均算术偏差。 用于测量粗糙度参数 R 的测量轮廓长度的 LSP 处理表面为 16mm，而用于测量裂纹表面粗糙度的测量长度为 2.5mm。2.4 射透电子显微镜使用在 200kV 电压下操作的 JEOL 2000-FX 透射电子显微镜（TEM ）表征 LSP 对材料微结构的影响。为了获得对微观结构和位错配置的 LSP 效应的正确认识，我们选择不以任何方式研磨 LSP 表面.因为可能会丢失信息 , 取而代之的是，我们在以下步骤中制备用于 TEM 分析的横截面薄箔：（i）用 Gatan 胶（中间处理过的表面）面对面地粘成两块 LSP 处理的样品（ii） 将横截面标本切成（ iii）仔细研磨（iv）冲出 3mm 直径的圆盘，（v）通过 Ar 轰击离子稀化。平均而言，每个样品条件的 80 个微观结构图像从原始表面的深度 0 至约 500lm 取得。为了方便起见，选择具有最高位错密度的图像作为每个LSP 处理条件的代表性图像。2.5 显微硬度显微硬度用微量维氏（Vickers）测试，使用 Leica Microsystems 的 Leitz Wetzlar 量具，使用 0.071N 的小载荷进行测量。 通过试样的整个横截面在垂直方向上进行压痕。为了获得关于 LSP 对硬度影响的正确信息 .表面未被研磨，因为硬化材料可能已被完全去除。在地表以下的第一次和最后 10 次测量是使用 32m 的间距进行的，以增加感兴趣的地下区域中的测量次数。2.6 残余应力残余应力分析采用钻孔松弛法,按照 ASTM E 837-08 钻孔应变计法测定残余应力的标准试验方法进行19 。Vishay Measurements Group（Vishay Intertechnology Inc.，Malvern，PA ，USA）的产品测量设备用电阻计 CEA-06-062UM-120 测定残余应力。使用带千分尺的深度进料器钻孔（分辨率 0.01 毫米） 。钻孔后测量钻孔直径，并使用光学 Olympus 宏观显微镜，ColorView 相机和 AnalysisDocu 软件在三个位置进行平均。使用 H-drill v3.10 软件和应力计算的积分方法计算最大和最小主残余应力和方位角，应变偏差误差估计值为 3.2 lm。2.7 疲劳裂纹增长试验疲劳测试是在 Russen-bergerPrfmachinenAG 的电磁驱动测试设备 Cracktronic 8204上使用 Fractomat 进行的。 根据 Cracktronic 的可用测试空间和用于测量疲劳裂纹生长速率的标准测试方法 ASTM E647 进行测试。Cracktronic 的基本模块具有单独的静态和动态驱动器。 静态负载由直流电机驱动的滚珠丝杠轴产生，并通过扭杆连接到摆动系常州大学本科生毕业设计第 7 页 共 21 页统。 动态负载通过电磁驱动谐振器产生。电磁铁集成在一个封闭的 并且以其自然谐振频率激励振荡系统，其中工作点位于谐振曲线的峰值处，典型频率在 50 和 200Hz之间。 动态和静态部分由独立电路控制，与 Credo 控制单元和计算机软件相连，并允许任何高精度的应力比组合。使用最大载荷为 8000N，分辨率为 1N 的 Rumul称重传感器（压电式）测量交变力。此外，具有弹性的样本是系统的一部分。使用间接电势降法连续监测裂纹长度。在这种方法中，与 “直接电位下降法 ”相比，电位值从薄的（ 5 lm）康铜电阻箔 Krak-gages （型号 RMF-A5）中取出，其中电位直接取出从标本。克拉克量规附着在样品的两侧以监测和平均裂纹长度。裂缝 在量具中与试样的实际裂纹同时增长。以 0.001mm 的分辨率记录裂纹长度的测量结果，精度高于 2。误差的主要来源是将试样上的应变计粘贴在距离实际切口尖端半径0.2 毫米处时的标准偏差。使用基于氰基丙烯酸酯的胶（Vishay Measurements）在光学宏观范围下在 15-20 放大率下使用与应变计粘合相同的技术进行 Krak-测量仪的胶合。定位误差通过空间校准显微镜测量。在实际电火花加工切口的定位误差长度在开始切口尺寸输入时考虑到了压痕温度。为了执行 DK = const，以恒定的 R 比进行测试，方程 (1) 被集成在测试机软件算法中以控制测试的动态力。使用两种方法计算裂纹增长率。该方法涉及 Da / DN 的直接点对点计算，其中与标称裂纹长度的小偏差导致大的散射。第二种方法涉及使用最小二乘法拟合适当的最佳拟合方程，这在第一节中描述3.5。使用具有测量能力为 50000N 并具有 1N 分辨率的压电力传感器的通用测试机BETA 50Messphysik 在疲劳裂纹扩展测试之后在紧密张力试样上测量断裂韧性 K。使用一种精度在 2以内的光学激光散斑引伸计。在光学显微镜下从载荷线到裂纹前缘测量初始疲劳裂纹长度，其中测量误差为 0.1mm。断裂韧度在厚度依赖的平面应力或过渡平面应力 /平面应变条件下进行。使用 Olympus 立体显微镜 SZX10 和 JEOL 5610 扫描电子显微镜（SEM ）进行断裂分析。这些图像是在疲劳表面上的预选位置以及从疲劳断裂表面到韧性断裂的过渡区域拍摄的。3.结果与讨论3.1LSP 处理过的表面的粗糙度分析由于在激光冲击处理过程中不存在吸收涂层，与未处理样品相比，LSP 处理样品的平均算术粗糙度参数 R显着增加（ 表 2） 。 接收状态下的平均粗糙度为 1.15 lm，而平均 R粗糙度。在使用 1.0,1.5,2.0mm 束直径的 LSP 之后，分别增加到 7.3,10.4 和 7.92lm 的值。随后在 FCG 测试之前将所有 LSP 样品研磨至 R值为 0.37-0.38lm 。 图 5 显示测量的轮廓，从未经处理的表面开始，继续到更粗糙的激光冲击处理表面。3.2 透射电子显微镜常州大学本科生毕业设计第 8 页 共 21 页LSP 处理的试样的横截面显微结构显示在 图 6。强烈的应变硬化变形的证据在表面层中是明显的，具有各种位错排列。由于不同的地方使用不同的地区，地点之间的位错不均匀 LSP 处理以及由于特定晶粒内部和之间的塑性变形的非均质性质。对比 图 6b 和 d 分别清楚地表明，试样 LSP1 和 LSP3 分别获得了最高和最低的位错密度。 由于激光束直径反映较小的激光强度和冲击波压力，因为强度与激光束面积成反比，所以这种结果是相当合理的。因此，LSP 1 试样的显微组织（ 图 6a 和 b）揭示随机排列的，具有位错缠结和位错壁的高密度位错结构。 此外，确认了形成超细晶粒的晶粒细化，其可以有效地减少多晶金属中的疲劳裂纹生长。看来，晶粒细化机制主要是通过形成和演化有助于形成的位错结构来实现的。图 6. LSP 处理样品的透射电子显微镜（ TEM）明场图像 ; （ a） LSP 1， （ b） LSP 2 和（ c）LSP表 2 基材和 LSP 表面的平均 R值负载方向 L T 拉伸强度 - R（ MPa）311 310屈服应力 - R（ MPa）296 295伸长率 - A（）9.7 8.5常州大学本科生毕业设计第 9 页 共 21 页图 7.显微硬度测量图 8.残余应力状态的变化， （a）原样收到， （b）LSP 3 处理后常州大学本科生毕业设计第 10 页 共 21 页3.3 LSP 处理的表面下层的硬度分析由于应变硬化，与基础材料相比， LSP 处理可能导致次表层硬度增加。例如，冈萨雷斯等人的研究。对于脉冲密度分别为 900 和 1200 脉冲 / cm， Al-Mg-Si 合金的 LSP 处理后的维氏显微硬度在 83 HV 下分别增加到 96 和 94 HV。 图 7 显示位置和显微硬度压痕线。 相同合金系列上的载荷为 0.071N 的维氏硬度测量显示 LSP之后的次表层中没有显着的硬度变化。维氏压痕的平均尺寸为 11.16 lm（ 0.27 lm） 。对于硬度的恒定函数，残差分析揭示了硬度的正态分布和 108HV（ 7HV）的平均值 ;基本上，所有测试样本都具有相似的值。因此， LSP 对地下和贯穿深度硬度的影响可以忽略不计。在我们的研究中获得的显微硬度结果与 Peyre 等报道的一致。 Fabbro 等人关于激光冲击喷丸在铝合金上的应用。 他们的结果也表明 LSP 处理试样的硬度性能几乎没有改善，与传统喷丸处理试样相比 HV 值更低。 据 Fabbro 等人称这种行为可以用三种方式来解释： 图 8 残余应力状态的变化， （ a）原样收到， （ b） LSP 3 处理后 （i ）冲击持续时间非常短，因此硬度不能在材料内部开始和传播， （ii）与喷丸过程相比，没有发生接触变形，即没有赫兹载荷和（iii）冲击压力
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