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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常州大学毕业设计（论文）任务书机械工程学院 学院 过程装备与控制工程 专业 班 同学：现给你下达毕业设计（论文）任务如下，要求你在预定时间内，完成此项任务。一、毕业设计（论文）题目激光喷丸强化铜锌合金的疲劳特性研究二、毕业设计（论文）依据及参数疲劳被定义为材料在循环载荷作用下，经过一定的循环次数以后形成裂纹或者发生断裂的过程。据统计，大约 80%以上的机械零件或者结构的破坏是由疲劳引起的。 ，因此，进行疲劳问题的研究具有深刻的现实意义。零件的失效和破坏大部分发生在表面或从表面开始，表面强化技术是目前应对生产生活中疲劳失效的一种重要手段。激光喷丸是继机械喷丸、深滚等表面强化技术后新兴的一种材料改性技术，通过激光喷丸对其进行处理，冲击后的铜及铜合金表面具有良好的形貌，从而能达到提高它的抗疲劳性能的效果。本课题拟将开展激光喷丸对材料拉伸、疲劳性能的综合分析，得到提高疲劳寿命的机制。研究结果以拓展疲劳断裂机制的研究应用领域，促进过程装备制造和金属材料交叉学科的发展。三、毕业设计（论文）目标及内容研究铜锌合金拉-拉疲劳试验的相关理论，采用实验和理论相结合的研究方法，利用疲劳断口形貌和表层性能对激光喷丸前后的铜锌合金进行疲劳性能研究，结合铜锌合金的综合性能分析，探讨激光喷丸强化铜锌合金的疲劳特性。研究内容：1、查阅有关激光喷丸表面强化及金属材料抗疲劳性能研究的国内外相关文献，深入了解提高疲劳寿命机制的国内外进展。2、完成与课题密切相关的一篇英文资料的翻译（数量按学校毕业设计指导书的规定） 。3、确定激光喷丸强化铜锌合金疲劳行为的实验方案并制备铜锌合金试样。4、对铜锌合金试样进行激光喷丸实验探究。4、进行激光喷丸前后试样的疲劳性能实验研究。5、根据疲劳断口形貌和表层性能对铜锌合金的疲劳性能进行分析。6、按学校给定毕业设计指导书的要求撰写毕业论文。四、课题所涉及主要参考资料1 H Luong, MR Hill. The effects of laser peening and shot peening on high cycle fatigue in 7050-T7451 aluminum alloyJ . Materials Science and Engineering A, 2010, 527(3): 699-707.2 B. Wang, P. Zhang, Q. Q. Duan, Z. J. Zhang, H. J. Yang, J. C. Pang, Y. Z. Tian, X. W. Li. High-cycle fatigue properties and damage mechanisms of pre-strained Fe-30Mn-0.9C twinning-induced plasticity steel(2017)258-271.3 J. Sheng, S. Huang, J. Z. Zhou, J. Z. Lu, S. Q. Xu, H. F. Zhang. Effect of laser peening with different energies on fatigue fracture evolution of 6061-T6 aluminum alloy. (2016) 169-176.4 林万明.铜及铜合金表面纳米化及其改性研究D.硕士论文.太原：山西太原理工大学，2011.5 Z Bergant, U Trdan, J Grum. Effects of laser shock processing on high cycle fatigue crack growth rate and fracture toughness of aluminium alloy 6082-T651J . International Journal of Fatigue, 2016, 87: 444-455.6 Z. J. Zhang, J. C. Pang, Z. F. Zhang. Optimizing the fatigue strength of ultrafine-grained Cu-Zn alloys. (2016) 305-313.7 X Nie, W He, L Zhou, Q Li, X Wang. Experiment investigation of laser shock peening on TC6 titanium alloy to improve high cycle fatigue performance J. Materials Science and Engineering A, 2014, 594(1): 161-167.8 李明玉. 铜材料的激光表面强化研究D . 郑州大学, 2013.9 刘新灵，张畔，陶春虎.疲劳断口定 M 分析M.北京：国防工业出版社，2010.10 Z Bergant, U Trdan, J Grum. Effects of laser shock processing on high cycle fatigue crack growth rate and fracture toughness of aluminium alloy 6082-T651J . International Journal of Fatigue, 2016, 87: 444-455.五、进度安排周 次 工 作 内 容 检 查 方 式12 课题介绍、查阅文献、学习标准规范、翻译外文资料、编写文献综述 网上提交翻译电子稿，按毕业设计规 范排版34 熟悉课题，初定方案 网上提交前期工作材料电子稿，按毕 业设计规范排版57 铜锌合金试样的制备 指导教师现场检查8 参观实习 网上提交实习报告914 铜锌合金的激光喷丸及疲劳性能实验 指导教师现场检查15 整理分析相关实验数据 指导教师现场检查16 撰写论文 网上提交说明书17 完成毕业论文、准备答辩 PPT 指导教师审查18 完成答辩并针对答辩中出现的问题进行修改 提交答辩材料，包括：撰写规范的毕 业设计说明书电子版、纸质版六、毕业设计（论文）时间 2017 年 12 月 25 日 2018 年 06 月 18 日七、本毕业设计（论文）必须完成的内容1调查研究、查阅文献和搜集资料。2阅读和翻译与课题内容有关的外文资料（外文翻译不能少于 2 万印刷字符，约合 5000 汉字） 。3撰写文献综述，确定毕业论文研究方案。4开展实验及分析：制备铜锌合金试样；铜锌合金激光喷丸及疲劳性能实验。 5撰写毕业论文。八、备注本任务书一式三份，学院、教师、学生各执一份。过程装备与控制工程系（教研室） 指导教师 刘麟 系（教研室）主任 张琳 主管院长 陆怡 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）冲击压力通常低于喷丸处理的冲击压力。3.4 残余应力选择处于接收状态的试样和研磨后的试样 LSP 3，用于利用钻孔松弛方法分析残余应力。 图 8a 表示冷轧后的母材的初期残余应力状态，在 160下进行 10 小时的应力消除和时效处理。在钻孔深度达 0.5 毫米的表面上，残余应力的大小在 0 到 50 兆帕之间。在 0 和-25MPa 之间的压缩应力的短暂过渡发生在 0.65mm 的深度，然后是渐变 恢复 0.9毫米的张力。 图 8b 显示了 LSP 3 处理后残余应力与钻孔深度的函数关系。在地表以下的较低深度处，缓解的应力对于最大应力分量稍微处于拉伸状态，对于最小主要应力分量略微压缩。LSP 3 样品的小表面压缩 RS 很可能是由于局部表面熔化，电离和再固化引起的激光处理过程中的软化效应。此外，与 TEM 微观结构有很好的一致性，其中标本 LSP3 揭示了所有 LSP 处理的样本中最低的位错密度。尽管如此，从中可以看出图 8b 残余应力在 rv0.05mm 处变为纯粹的压缩，在 0.25mm 处达到 -230MPa 的最大压缩 RS。残余应力完全保持在压缩高达 0.85 毫米的深度，然后过渡到平衡拉伸残余应力。应该指出的是，在 1 到 9 毫米深的板材区域内没有进行残余应力测量。然而，为了平衡表面的压应力，拉伸残余应力很可能出现在试样的中心。最近在 Gill等人研究 Inconel 718 合金没有保护涂层的 LSP 效应中也报道了类似的结果。他们的结果也证实了小的表面压应力（ 50MPa） ，其本质上变成了拉伸，并且从表面持续大约 80lm，然后变为压缩状态。通过 TEM，同一作者提出，在激光表面烧蚀过程中，冲击波会将烧蚀的颗粒重新沉积到基体上，从而阻止晶粒细化。他们的建议与我们的结果部分一致，但仅限于 LSP 3 标本，因为 LSP 1 和 LSP 2 都显示高位错密度，位错单元和细化晶粒。 序号： （14403314） 常 州 大 学毕 业 设 计 （ 论 文 ） 前 期 材 料（2018 届）学 生 时夏楠 学 号 14403314 学 院 机械工程学院 专业班级 装备 143 题 目 激光喷丸强化铜锌合金的疲劳特性研究 类 别 毕业设计 毕业论文 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 二一八年三月学号： （14403314） 常 州 大 学毕 业 设 计 （ 论 文 ） 开 题 报 告（2018 届）题 目 激光喷丸强化铜锌合金的疲劳特性研究学 生 时夏楠 学 院 机械工程学院 专 业 班 级 装备 143 校内指导师 刘麟 专业技术职务 副教授 校外指导老师 专业技术职务才 二一八年三月题目：激光喷丸强化铜锌合金的疲劳特性研究 一、前言1. 引言1.1 本课题的研究背景材料在应力或应变的反复作用下所发生的性能变化称为疲劳，若导致材料开裂则称为疲劳断裂。在工程机构和机械设备中，疲劳失效的现象已经非常广泛，它遍及每一个运动的零部件。绝大多数的零部件承受的应力是周期变化的，如各种滚动轴承、发动机曲轴、齿轮、飞机的螺旋桨等，这些零部件的损坏，据统计 80%以上都是由于疲劳断裂引起的 1。如果航空设备和核发电站的零件受到反复作用的载荷和振动后，发生疲劳断裂，将会造成巨大的财产损失和人身伤亡，而且疲劳断裂失效在断裂前没有明显的宏观塑性变形，断裂没有先兆，往往造成灾难性后果 2。铜及铜合金因具有良好的机械性能而被广泛的运用在机械制造、航空航天等工业领域。例如机械工业中的轴承、电机中的定子、转子和轴头等。作为最常见的机械零部件，提高材料的疲劳性能决定着轴承等零部件的疲劳寿命并间接影响着整个机械设备的运行情况 3。据了解，零件的失效和破坏大部分发生在表面，激光喷丸是继机械喷丸、深滚等表面强化技术后新兴的一种材料改性技术。人们开始采用激光喷丸产生残余压应力对金属零件进行喷丸强化，以提高其使用寿命 4。激光诱导的等离子体可产生强烈的冲击。即当短脉冲(几到几十纳秒)的高能量密度( 约 200J/cm2)的激光辐照金属表面时，金属表面的吸收层(铝箔)吸收激光能量发生爆炸性汽化，汽化后的蒸汽急剧吸收激光能量并形成高温(10000K)，高压 (1 GPa)的等离子体，等离子体受到约束层(水或光学玻璃)的限制，形成高强度压力冲击波，作用于金属表面并向内部传播。由于这种冲击波压力高达数个兆帕，其峰值应力远远大于材料的动态屈服强度，从而使材料产生密集、均匀和稳定的位错结构，同时冲击波贮藏的弹性变形能大于材料所需的屈服、塑性变形能，使表面材料发生屈服和冷塑性变形，同时在成形区域产生有益的残余压应力，其能消除工件因机械加工、热处理、焊接、激光切割、电镀或硬化涂层形成的有害拉应力，从而提高金属零件的强度、耐磨性、耐腐蚀性和疲劳寿命。由于其强化原理类似喷丸，因此这种新型的表面强化技术称为激光喷丸(Laser Peening)。吸收层(铝箔)的作用是吸收激光能量，以产生等离子体爆炸形成激光冲击波，同时保护板料表面不受激光热损伤。约束层(水或光学玻璃)的作用是阻碍等离子体的膨胀，增强与激光能量的耦合，提高冲击波的压力 5。1.2 本课题的研究意义随着科技的飞速发展，对机械的要求越来越高，逐渐向高温、高压和大功率方向发展，交变载荷的反复作用，使用环境越来越恶劣，造成疲劳事故频繁发生。压力容器、焊接结构，再到生活中的用具（自行车、电风扇等）都会发生疲劳失效。因此提高各种零件或构件的疲劳强度，减少疲劳失效具有重要的意义 7。铜及铜合金作为轴承、轴瓦等零部件的主要材料，不仅使其具有较好的承载能力以及导热性能，同时也带来了更大的经济收益，提高了疲劳寿命。据统计，近几年我国对铜及铜合金产品的需求越来越大，导致铜材供不应求，我国成为了进口铜材的大市场。在加上工业的发展对机械零部件的要求越来越高，使用传统方式制备的铜合金性能已不能达到使用要求，特别是在苛刻的工况条件下。激光喷丸犹如外科手术，能够将残余压应力植入零件的关键部位，为设计师提供防止裂纹生成发展并能增加零件疲劳强度的能力。在激光喷丸过程中，激光光束会射向零件表面，生成 7GPa 的脉冲压力，并以冲击波的形式穿过零件，由此产生的残余压应力可达普通喷丸的 10 倍以上。若干激光光束按预先设计的形状，在零件表面下植入一层残余压应力。这层残余压应力不但可根据零件不同，还可根据零件可能的失效方式相应地植入。对重量敏感的设计来说，这将提高零件的负荷能力。与喷丸不同，激光喷丸是通过最小程度的冷作植入深度的压应力，并能保持良好的表面光洁度，从而进一步减少导致零件过早损坏的接触疲劳和腐蚀侵袭。此外，轻微的冷作能较大地保持住在高温或高载荷条件下表面压应力 8。因此，研究铜合金材料的高周疲劳特性、深入探讨激光喷丸对提高疲劳寿命具有重要意义。1.3 国内外激光喷丸强化抗疲劳技术发展现状激光喷丸强化(Laser Shock Peening)利用高功率密度、短脉冲激光冲击零件表面，激光与材料相互作用诱导产生的高幅冲击波压力进行材料改性，能显著改善材料中的应力分布，从而大幅提高金属结构件的疲劳性能。激光喷丸强化技术在航空航天、汽车制造等领域具有广阔的应用前景。国内外学者对激光喷丸强化进行了大量的研究。1972 年，Fairand 等人首次用高功率脉冲激光诱导的冲击波来改变 7075 铝合金的显微结构组织以提高力学性能，从此揭开了激光喷丸强化应用研究的序幕。2009 年，Mike 等使用激光喷丸强化对海军飞机上钩柄进行处理，与传统机械喷丸相比，钩柄经激光喷丸后疲劳寿命提高了 2.5 倍。周建忠等 14用数值模拟方法研究了不同应力比对激光喷丸强化铝合金疲劳寿命增益的影响。李伟等对激光喷丸强化提高材料的疲劳性能的强化机制进行了研究。本文通过开展疲劳试验，测试了激光喷丸试验在不同应力水平下的疲劳寿命，研究了激光喷丸对铜合金抗疲劳性能的影响。1.3.1 国内激光喷丸强化抗疲劳技术发展现状人们对激光喷丸强化处理技术早期的应用研究主要集中在航空金属材料上，对飞机结构件的强化、提高关键部位疲劳性能,特别是典型的应力集中结构进行分析与研究。国内激光喷丸技术研究相对于发达国家而言起步较晚，始于 20 世纪 60 年代末期，相关研究工作主要以北京航空制造工程研究所、几大主机厂和相关高校为主 9。多种型号的军民用飞机在机翼机身整体壁板成形方面都采用了喷丸成形技术。20 世纪 90 年代中期，中航工业和空客合作开展空中快车 100（AE100）项目研究，为解决 AE100 超临界机翼喷丸技术难题，国内开展了对超临界机翼整体壁板预应力喷丸成形一系列相关技术研究，解决了国内预应力喷丸技术的诸多技术难题，填补了国内在超临界机翼整体壁板预应力喷丸技术方面的空白。21 世纪初期，国内开展 ARJ21 飞机超临界机翼整体壁板预应力喷丸技术研究，该机机翼整体壁板无论是长度和厚度的尺寸，还是结构和外型的复杂程度，对当时国内喷丸技术而言，都是一个巨大的技术难题，相关参研单位不畏艰辛，打破国外技术垄断和封锁，于 2006 年成功实现了 ARJ21 超临界机翼整体壁板的喷丸成形，使中国成为世界上少数几个可以自主开展超临界机翼预应力喷丸成形技术的国家 10。1.3.2 国外激光喷丸强化抗疲劳技术发展现状从 20 世纪 70 年代激光喷丸强化技术被应用于材料表面改性以来,激光冲击抗疲劳制造技术一直是研究的热点。美国人 Benjamin Chew Tilghman 发明了冷硬铸铁喷丸技术。早期的喷丸技术主要用于工件的表面清理和强化，使工件的表面层残留一定的压缩应力，起到提高工件抗疲劳和腐蚀能力的作用。20 世纪 40 年代初期美国洛克希德马丁公司的 Jim Boerger 首先提出喷丸成形技术，使得喷丸技术不再局限于表面清理和强化，在随后的研究中，喷丸成形技术得到了快速发展并成功应用到飞机整体壁板的成形 12。在国外，以波音公司、空中客车公司、金属改进公司以及洛克希德马丁公司为代表的几大公司在喷丸技术方面做了大量相关技术研究，并处于国际领先地位。喷丸技术在波音 B 系列和空客 A 系列等大中型民用客机机翼整体壁板成形方面都得到了成功应用。美国金属改进公司（MIC）将预应力喷丸成形技术成功应用到 A380 超临界机翼下壁板的成形上，该壁板无论是在长度上，还是在厚度上，都是目前喷丸技术研究在机翼整体壁板成形方面所遇到的最大挑战。加拿大 NMF 公司通过先进喷丸技术与预应力和温成形技术相结合，成功地实现了以色列飞机工业公司（IAI ）设计的银河（Galaxy）中型公务机机翼带筋整体壁板的喷丸成形 13。1.3.3 激光喷丸强化技术发展现状激光技术课题组对激光冲击成形这一新技术进行了深入的研究，并取得了丰硕的成果。周建忠等人用实验的方法对锻铝、不锈钢等材料进行了实验研究，总结了激光脉冲的能量、脉宽、光斑直径的大小、材料力学性能等参数对板料变形量的影响。吉维民，王广龙等对金属板料的激光冲击变形进行了数值模拟研究，获得了与实验结果相接近的数据。此外张雷洪等对激光斜冲击成形进行了较为深入的研究 11。高立等对激光多点大面积冲击成形进行了有益的探索研究。激光冲击成形是一种全新的板料塑性成形工艺，与传统的板料拉伸成形相比，具有显著特点：变形压力高，作用时间短，应变率高，使板料成形快速；无需模具，不需外力，属于冷冲压变形；成形后表面留有残余压应力；激光参数精确可控，可以预计板料后续的成形轮廓。目前许多关键技术亟待解决和完善，如多次冲击成形过程中，不同冲击面相交形成的搭接区的冲击工艺过程和控制较为困难和复杂，并且冲击过程伴随着表面强化，致使板材的屈服强度提高，使后续变形困难等问题 15。2.课题的研究目标、内容和拟解决的关键问题2.1 课题的研究目标研究铜锌合金拉-拉疲劳试验的相关理论，采用实验和理论相结合的研究方法，利用疲劳断口形貌和表层性能对激光喷丸前后的铜锌合金进行疲劳性能研究，结合铜锌合金的综合性能分析，探讨激光喷丸强化铜锌合金的疲劳特性。2.2 研究内容1、查阅有关激光喷丸表面强化及金属材料抗疲劳性能研究的国内外相关文献，深入了解提高疲劳寿命机制的国内外进展。2、完成与课题密切相关的一篇英文资料的翻译（数量按学校毕业设计指导书的规定）。3、确定激光喷丸强化铜锌合金疲劳行为的实验方案并制备铜锌合金试样。4、对铜锌合金试样进行激光喷丸实验探究。4、进行激光喷丸前后试样的疲劳性能实验研究。5、根据疲劳断口形貌和表层性能对铜锌合金的疲劳性能进行分析。6、按学校给定毕业设计指导书的要求撰写毕业论文。2.3 要重点解决的关键问题1、激光喷丸工艺参数的分析研究与确定。2、材料激光喷丸前后表面性能分析。3、激光喷丸强化前后材料疲劳行为的研究。二、研究方案的确定1 拟采取的研究方案、拟使用的主要仪器、药品1.1 拟采取的研究方案（1）按照试验要求制备铜锌合金试样（线切割、打磨和抛光退火等）以及激光冲击强化铜锌合金的表面强化处理。（2）不同工艺参数喷丸强化以及试样表面完整性分析。（3）喷丸前后拉伸试验研究，确定合适的疲劳性能试验参数，并进行喷丸前后的疲劳试验，分析疲劳寿命及断口形貌。1.2 拟使用的主要仪器（1）金相试样预磨机（2）马弗炉（3）金相显微镜（4）常规疲劳试验机（5）扫描电子显微镜（6）残余应力试验机1.3 药品（1）氧化铝高级抛光粉（2）高效金刚石喷雾抛光粉（3）氧化铝悬浮液2 实验步骤（1）调查研究、查阅文献和搜集资料。（2）阅读和翻译与课题有关的外文资料。（3）撰写开题报告，确定实验方案。（4）制备铜锌合金试样。（5）对试样进行打磨、抛光处理。（6）结合实际工艺及相关理论完成激光喷丸试验。（7）进行疲劳、拉伸试验。（8）对试样进行试验后的疲劳寿命分析。（9）得出结论。（10）开始撰写毕业论文。（11）完成论文，准备答辩。三、阶段性工作计划与预期研究成果1 阶段性工作计划周次 工作内容 检查方式12 课题介绍、查阅文献、学习标准规范、翻译外文资料、编写文献综述网上提交翻译电子稿，按毕业设计规范排版34 熟悉课题，初定方案 网上提交前期工作材料电子稿，按毕业设计规范排版57 制备铜锌合金试样 指导教师现场检查8 参观实习 网上提交实习报告914 铜锌合金的激光喷丸 指导教师现场检查及疲劳性能实验15 整理分析相关实验数据指导教师现场检查16 撰写论文 网上提交说明书1718完成毕业论文、准备答辩PPT完成答辩并针对答辩中的问题进行修改指导教师审查提交答辩材料，包括：撰写规范的毕业论文电子版、纸质版2 预期研究成果为了探究铜锌合金的疲劳特性，对不同工艺参数条件下的激光喷丸试样的疲劳断口形貌进行分析。疲劳试样断口是试样断裂过程的真实记录，通过断口分析可以研究断裂机理，找出疲劳破坏的根本原因。四、参考文献1 Trdan U, Porro JA, Ocaa JL, Grum J. Laser shock peening without absorbent coating (LSPwC) effect on 3D surface t
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