（机械制造及其自动化专业论文）金属疲劳性能激光强化改性及其疲劳安全寿命优化研究.pdf

独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研 究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论文不包含任何其他 个人或集体已经发表或撰写过的作品成果，也不包含为获得江苏大学或其他教 育机构的学位或证书而使用过的材料。对本文的研究做出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承 担。 学位论文作者签名：害六讳 年月日 学位论文版权使用授权书 江苏大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光盘 版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用 影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容 相一致，允许论文被查阅和借阅，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文 编入中国学位论文全文数据库并向社会提供查询，授权中国学术期刊( 光 盘版) 电子杂志社将本论文编入中国优秀博硕士学位论文全文数据库并向 社会提供查询。论文的公布( 包括刊登) 授权江苏大学研究生处办理。 本学位论文属于不保密 学位论文作者签名： 年月 妾六僻 日 指导教师签名： 年月 日 f a t i g u ep r o p e r t i e sa n dt h eo p t i m i z a t i o no ft h e i rf a t i g u e s a f e t yl i v e s 江苏大学 二零一一年六月 一夸一一牛六月 有 条 化 ： 耐 结 果表明，激光冲击强化能够显著提高试样的疲劳性能，7 0 5 0 t 7 4 5 1 预n d , 孑l 试 样和0 0 c r l 2 标准拉伸试样的平均疲劳寿命在激光冲击后分别提高了3 1 6 和 6 2 ；0 0 c r l 2 耐热钢试样的屈服强度和弹性模量在激光冲击强化后得到较大提 高，在2 5 、4 0 0 、5 0 0 、6 0 0 下，屈服强度分别提高了6 0 、7 0 、5 8 7 、 6 1 2 ，弹性模量提高了6 0 、6 8 、6 7 、7 2 ；温度对0 0 c r l 2 耐热钢试样 的疲劳寿命有很大影响，随着温度的提高，疲劳寿命显著降低，4 0 0 、5 0 0 、 6 0 0 时0 0 c r l 2 试样的平均疲劳寿命依次为6 3 3 3 5 次、5 2 8 2 2 次、2 4 9 3 2 次，降 低幅度随着温度的升高而变大。 用二维威布尔模型法和单侧容限因数法分别优化7 0 5 0 - t 7 4 5 1 铝合金试样 和0 0 c r l 2 耐热钢的疲劳安全寿命，分析激光冲击强化对于7 0 5 0 t 7 4 5 1 铝合金 试样和0 0 c r l 2 耐热钢试样疲劳安全寿命的影响，并且分析了温度对0 0 c r l 2 耐 热钢疲劳安全寿命的影响。结果表明，激光冲击强化能够提高7 0 5 0 t 7 4 5 1 铝合 金试样和0 0 c r l 2 耐热钢试样的疲劳安全寿命，在置信度为9 0 可靠度为9 0 的条件下，激光冲击后，单侧容限因数法所得7 0 5 0 t 7 4 5 1 预制裂纹试样的疲劳 安全寿命提高了5 4 2 ，二维威布尔分布法所得7 0 5 0 t 7 4 5 1 预n d , 孑l 试样和 0 0 c r l 2 耐热钢试样的整体疲劳安全寿命分别提高了2 7 4 和6 1 3 ；高温则降 低了0 0 c r l 2 耐热钢试样的疲劳安全寿命，并且温度越高，疲劳安全寿命降低的 越快，在置信度为9 5 可靠度为9 9 条件下，温度从4 0 0 升高到5 0 0 时， 0 0 c r l 2 光滑圆棒试样的整体疲劳安全寿命只减小了1 2 4 ，而从5 0 0 升高到 金属疲劳性能激光强化改性及其疲劳安全寿命优化研究 6 0 0 时则减少了4 7 2 。 对二维威布尔模型法和单侧容限因数法进行综合分析得出，二维威布尔模 型法更节省试样和测试时间，在工程实用中能更好的兼顾经济性和安全性，因 此更适用于7 0 5 0 t 7 4 5 1 铝合金试样和0 0 c r l 2 耐热钢疲劳安全寿命的优化。 关键词：激光冲击强化，7 0 5 0 - t 7 4 5 1 铝合金，0 0 c r l 2 耐热钢，疲劳安全寿命，二 维威布尔分布法，单侧容限因数法 t h i sp a p e rs t u d i e do nt h e7 0 5 0 - t 7 4 51a l u m i n u ma l l o ya n d0 0 c r l2h e a t r e s i s t a n ts t e e lb a s e do nl a s e rs h o c kp r o c e s s i n g se f f e c t so nt h e i rf a t i g u ep r o p e r t i e s a n dt h ee s t i m a t i o no ft h e i rf a t i g u es a f e t yl i f e ，a n dt h em a i nw o r ka n di n n o v a t i o n sa r e a sf o l l o w s ： t h ee f f e c t so fl a s e rs h o c kp r o c e s s i n go nf a t i g u ep r o p e r t i e so f7 0 5 0 t 7 4 51 a l u m i n u ma l l o ys p e c i m e n sa n do o c r l2h e a t r e s i s t a n ts t e e ls p e c i m e n sa n dt h ee f f e c t s o ft e m p e r a t u r eo nf a t i g u el i f eo f0 0 c r l2h e a t r e s i s t a n ts t e e ls p e c i m e n sw e r es t u d i e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a tl a s e rs h o c kp r o c e s s i n gc o u l ds i g n i f i c a n t l yi m p r o v et h e f a t i g u ep r o p e r t i e so fs p e c i m e n s ，a n dt h ea v e r a g ef a t i g u el i v e so f7 0 5 0 一t 7 4 51 p r e f a b r i c a t e dh o l e ss p e c i m e n sa n d0 0 c r l2s t a n d a r dt e n s i l es p e c i m e n sw e r ei n c r e a s e d b y316 a n d6 2 a f t e rl a s e rs h o c kp r o c e s s i n g ；t h ey i e l ds t r e n g t ha n dt h ee l a s t i c m o d u l u so f0 0 c r l2h e a t r e s i s t a n ts t e e ls p e c i m e n sw e r eg r e a t l yi m p r o v e da f t e rl a s e r s h o c kp r o c e s s i n g ，a n di nt h et e m p e r a t u r e so f2 5 * ( 2 ，4 0 0 c ，5 0 0 4 c ，6 0 0 c ，t h ey i e l d s t r e n g t hi n c r e a s e db y6 0 ，7 0 ，5 8 7 ，6 1 2 s e p a r a t e l y , a n de l a s t i cm o d u l u s i n c r e a s e db y6 0 ，6 8 ，6 7 ，7 2 s e p a r a t e l y ；t h et e m p e r a t u r eh a dag r e a ti n f l u e n c e o nf a t i g u el i f eo f0 0 c r l2h e a t r e s i s t a n ts t e e l s p e c i m e n s ，a n dt h ef a t i g u e l i f e d e c r e a s e ds i g n i f i c a n t l ya st h et e m p e r a t u r ei n c r e a s e d ，a n di nt h et e m p e r a t u r e so f4 0 0 ，5 0 0 。c ，6 0 0 。c ，t h ea v e r a g ef a t i g u el i f eo f0 0 c r l 2s p e c i m e n sw e r e6 3 ，3 3 5t i m e s ， 5 2 ，8 2 2t i m e s ，a n d2 4 ，9 3 2t i m e ss e p a r a t e l y ，t h er e d u c t i o nr a n g e sw e r el a r g e ra st h e t e m p e r a t u r er o s e i i i 金属疲劳性能激光强化改性及其疲劳安全寿命优化研究 t h et w o d i m e n s i o n a lw e i b u l ld i s t i l b u t i o nm e t h o da n du n i l a t e r a l f a c t o rm e t h o d w e r eu s e dt o o p t i m i z e t h ef a t i g u e s a f e t y l i v e so f7 0 a l u m i n u ma l l o ys p e c i m e n sa n d0 0 c r l2 h e a tr e s i s t a n ts t e e ls p e c i m e n s ，a n dt h ee f f e c t s o fl a s e rs h o c kp r o c e s s i n go nf a t i g u es a f e t yl i v e so f7 0 5 0 一t 7 4 51a l u m i n u ma l l o y s p e c i m e n sa n d0 0 c r l 2h e a t - r e s i s t a n ts t e e ls p e c i m e n sa n dt h ee f f e c t so ft e m p e r a t u r e o nf a t i g u es a f e t yl i f eo f0 0 c r l2h e a t - r e s i s t a n ts t e e ls p e c i m e n sw e r es t u d i e d t h e r e s u l t ss h o w e dt h a tl a s e rs h o c kp r o c e s s i n gc o u l ds i g n i f i c a n t l yi m p r o v et h ef a t i g u e s a f e t yl i v e so f 7 0 5 0 一t 7 4 51a l u m i n u ma l l o ys p e c i m e n sa n d0 0 c r l2 h e a tr e s i s t a n ts t e e l s p e c i m e n s ，a n di nt h ec o n d i t i o nw i t ht h ec o n f i d e n c el e v e lo f9 0 a n dr e l i a b i l i t y l e v e lo f9 0 ，a f t e rl a s e rs h o c kp r o c e s s i n g ，t h ef a t i g u es a f e t yl i f eo f7 0 5 0 - t 7 4 51 p r e c r a c ks p e c i m e nf r o mu n i l a t e r a lt o l e r a n c ef a c t o rm e t h o dw a si m p r o v e db y5 4 2 ， a n dt h eo v e r a l lf a t i g u es a f e t yl i v e so f7 0 5 0 - t 7 4 51p r e f a b r i c a t e dh o l e ss p e c i m e n sa n d 0 0 c r l2h e a t r e s i s t a n ts t e e l s p e c i m e n sf r o mt h et w o d i m e n s i o n a lw e i b u l ld i s t r i b u t i o n m e t h o dw e r ei n c r e a s e db y2 7 4 a n d6 1 3 s e p a r a t e l y ；a n df a t i g u es a f e t yl i v e so f 0 0 c r l2s p e c i m e nh e a tr e s i s t a n ts t e e lw e r er e d u c e db yt h eh i g ht e m p e r a t u r e ，a n dt h e h i g h e rt h et e m p e r a t u r ew a s ，t h el o w e rt h ef a t i g u es a f e t yl i f ew a s ，i nt h ec o n d i t i o n w i t ht h ec o n f i d e n c el e v e lo f9 5 a n dt h er e l i a b i l i t yo f9 9 ，w h e nt h et e m p e r a t u r e i n c r e a s e df r o m4 0 0 ct o5 0 0 。c ，t h eo v e r a l lf a t i g u es a f e t yl i f eo f0 0 c r l 2s m o o t h c y l i n d r i c a ls p e c i m e n so n l yr e d u c e db y12 4 w h i l et h et e m p e r a t u r ei n c r e a s e df r o m 5 0 0 t o6 0 0 t h eo v e r a l lf a t i g u es a f e t yl i f ed e c r e a s e db y4 7 2 b yc o m p r e h e n s i v e l ya n a l y z i n g t h et w o - d i m e n s i o n a lw e i b u l ld i s t r i b u t i o n m e t h o da n du n i l a t e r a lt o l e r a n c ef a c t o rm e t h o d ，i tc o n c l u d e dt h a tt h et w o d i m e n s i o n a l w e i b u l ld i s t r i b u t i o nm e t h o dn e e d sl e s ss a m p l e sa n dt e s tt i m e ，a n dc a nb e t t e rb a l a n c e t h ee c o n o m ya n ds e c u r i t yi ne n g i n e e r i n gp r a c t i c e ，s ot h et w o d i m e n s i o n a lw e i b u l l d i s t r i b u t i o nm e t h o di sm o r es u i tf o rf a t i g u es a f e t yl i f eo p t i m i z a t i o no f7 0 5 0 - t 7 4 51 a l u m i n u ma l l o ys p e c i m e n sa n d0 0 c r l2h e a tr e s i s t a n ts t e e ls p e c i m e n s k e yw o r d s ：l a s e rs h o c kp r o c e s s i n g , 7 0 5 0 一t 7 4 51a l u m i n u ma l l o y ，0 0 c r l2 h e a t r e s i s t a n ts t e e l ，f a t i g u es a f e t yl i f e ，t w o d i m e n s i o n a lw e i b u l l d i s t r i b u t i o nm e t h o d ，u n i l a t e r a lt o l e r a n c ef a c t o rm e t h o d i v 江苏 大学硕士学位论文 目录 第一章绪言1 1 1 研究背景和意义1 1 2 激光冲击强化简介2 1 2 1 技术原理。2 1 2 2 技术特点：3 1 2 3 激光冲击强化的发展概况4 1 3 疲劳寿命统计分析6 1 3 1 作图法7 1 3 2 解析法8 1 4 主要研究内容9 第二章材料疲劳安全寿命估算方法1 1 2 1 引言11 2 2 方法简介j 1 2 2 2 1 单侧容限因数法1 2 2 2 2 二维w e i b u l l ( 威布尔) 模型法1 6 2 3 两种方法比较1 9 2 4 本章小结2 0 第三章激光冲击强化对7 0 5 0 t 7 4 5 1 铝合金疲劳寿命的影响2 1 3 1 引言2 1 3 2 激光冲击试验2 2 3 2 1 试验材料的制备2 2 3 2 2 激光冲击处理2 3 3 3 疲劳试验及结果2 4 3 4 疲劳安全寿命估算2 5 3 4 1 单侧容限因数法2 5 3 4 2 二维w e i b u u 分布法2 7 3 4 3 两种方法比较。3 0 v 3 2 3 5 3 5 3 5 3 5 3 7 3 8 4 2 4 2 4 3 4 4 4 6 5 2 5 5 5 7 6 3 6 4 江苏大学硕士学位论文 1 1 研究背景和意义 第一章绪言 在工程结构及机械设备中，疲劳破坏的现象非常广泛，它普遍存在于每个 运动的零部件中，甚至看上去是静止的结构，只要它承受反复载荷的作用，都 会导致疲劳破坏。据统计，长期承受疲劳载荷的机械结构高达7 0 到9 0 。已 有研究结果表明，军用飞机喷气发动机构件的主要失效原因是高周疲劳，疲劳 失效占喷气发动机全部构件损伤的4 9 【1 】，我国同类产品的使用寿命往往比发 达国家低，问题更为严重 2 】。由于疲劳破坏常常是在低应力状态下进行的，它 事先没有明显的征兆，不容易被观察到，所以造成的损失非常巨大，影响人们 的生命及财产安全 3 】。 激光冲击强化作为激光加工技术的重要组成部分，是继激光热处理、激光 非晶化及激光毛化等处理技术之后，国际上近年来迅速发展起来的一种新型材 料表面改性技术 4 】。激光冲击强化主要利用高功率脉冲强激光诱导的冲击波作 用于试样表面，使其产生塑性变形的一种新的加工技术。由于激光诱导的冲击 波压力值高达g p a 量级，远大于材料的动态屈服强度，从而使材料产生屈服和 塑性变形，同时在冲击区域引入了高深度的残余压应力，从而改善了冲击区域 力学性能和耐腐蚀性能，因此大大地增加了工件的抗疲劳寿命【5 ，6 】。自从2 0 世 纪7 0 年代激光冲击强化技术被用于材料表面改性以来，国内外许多学者都对其 进行了广泛的研究。到目前为止，大量的研究已证明激光冲击强化技术是提高 材料疲劳寿命的有效手段 7 】。 为了保证结构设备运行的安全，采用某种数理统计方法，确定出一个较低 的结构使用寿命，称其为疲劳安全寿命 8 】。随着工业技术的发展，机械产品正 向高温、高速和大型化方向发展，机械零件的工作应力日趋提高，工作环境日 趋恶劣，疲劳事故更是层出不穷。为了确保结构设备在预定的使用期限内不会 发生无法挽回的灾难性事故，必须可靠地确定疲劳条件下的疲劳安全寿命 【9 1 2 。而在实际的工程应用中，对疲劳安全寿命有不同的要求，有时对安全性 的要求较高，所采用的疲劳安全寿命越低越能保证安全性 1 3 】；而有时考虑到 金属疲劳性能激光强化改性及其疲劳安全寿命优化研究 成本因素，所采用的疲劳安全寿命越高就越节省成本【1 4 】。因此有必要 种数理统计方法，使得出的疲劳安全寿命满足实际需要。 7 0 5 0 t 7 4 5 1 铝合金是广泛用于飞机制造的高强结构航空铝合金，o o c r l 2 不 锈钢属于高温炉管合金耐热钢，广泛应用于钢铁工业。因而，深入开展 7 0 5 0 t 7 4 5 1 航空铝合金和o o c r l 2 耐热钢基于激光冲击强化对于其疲劳寿命影 响的研究及其疲劳安全寿命估算的研究，对于延长7 0 5 0 t 7 4 5 1 航空铝合金和 o o c r l 2 耐热钢部件等航空、航天和钢铁等工业产品领域的疲劳寿命，主动并且 有效地控制疲劳破坏问题，避免突然破坏所带来的巨大损失，根据实际的要求 选择合适的疲劳安全寿命，提高设备工作的安全性、可靠性和经济性，具有十 分重要的意义。 1 2 激光冲击强化简介 1 2 1 技术原理 激光冲击强化( l a s e rs h o c kp r o c e s s i n g 或l a s e rs h o c kp e e n i n g ) ，简称l s p 技术，也称激光喷丸技术，是一种新型的表面强化技术，它的原理如图1 1 所示。为了提高材料对激光能量的吸收并且保护材料表面不受激光热损伤， 在激光冲击前，在工件的待冲击区域涂上一层不透明的材料，称之为能量吸 收层，然后再覆盖一层透明的材料，称之为约束层。当短脉冲( r i s 量级) 、高 功率密度( g w c m 2 量级) 的强激光透过透明约束层作用于覆盖材料表面的能 量吸收层时，能量吸收层充分吸收激光能量，在极短时间内汽化电离形成高 温高压的等离子体，该等离子体迅速膨胀向外喷射。由于约束层的存在，等 离子体的膨胀受到约束限制，导致等离子体压力迅速升高，结果施与靶面一 个冲击加载，产生向金属内部传播的强冲击波。由于这种冲击波压力高达数 g p a ，远远大于材料的动态屈服强度，使材料表面产生屈服和塑性应变，同 时在成形区域产生残余压应力，从而大幅度提高材料的强度、硬度和疲劳性 能。在此过程中，约束层的存在大大提高了激光冲击波地压力幅值和作用时 间，而由于能量吸收层的“牺牲作用，加之激光冲击的时间极短，保护了 工件表面不受激光热损伤，故热学效应可以忽略不计，因此将激光冲击强化 2 大学硕士学位论文 激光脉冲作用期间，其强度保持恒定时，施加于金 属靶面的冲击波压力维持一个平稳阶段。而在激光作用的后期，由于激光功 率密度的减小，作用于表面的冲击波压力也随之降低，因此在激光冲击过程 中，激光诱导的冲击波压力经历了快速增强、保压和衰减三个过程 1 5 。 根据以上分析，激光冲击强化过程可以分成三个阶段：靶面吸收高能激 光束并且汽化；等离子体形成高压冲击波加载于靶面；靶材动态响应产生残 余压应力。激光冲击强化处理的实质就是冲击波即应力波与材料相互作用的 结果。由于激光诱导冲击波强度很高，可达几个甚至几十个g p a ，但其脉冲 宽度却通常只有几十纳秒，因而固体物质在激光冲击波作用下可以产生高达 1 0 6 - 1 0 7 s 1 的超高应变率，在如此高的应变率下合金材料通常表现出特殊的力 学和物理特征，这种强冲击波力学效应正逐渐形成一门新的交叉学科一光力 学，其光声光力效应在工业中具有广阔的应用前景 1 6 】。合金材料经过激光 冲击之后，其结构组织会产生位错、晶粒、孪晶等现象，从而使得合金的表 面粗糙度、变形量、残余应力、硬度等产生很大变化，由于激光冲击强化产 生的残余压应力层较深，大约为机械喷丸强化的2 到5 倍，所以，激光冲击 强化处理获得的残余压应力层有很好的阻止裂纹萌生和扩展的能力，可以大 大提高金属材料的疲劳寿命 1 7 ，1 8 。 1 2 2 技术特点： 图1 1 激光冲击强化示意图【4 】 f i g 1 1s c h e m a t i co fl a s e rs h o c kp r o c e s s i n g 激光冲击强化利用激光与物质的相互作用产生强冲击波作用于材料表 3 级的冲击压力，并以应力波的形式传播至相当的深度，引起塑性变形，达到 深度强化的目的。 ( 5 ) 激光冲击强化可在室温、空气条件下进行，工艺过程清洁无污染， 是一种绿色的、环保的表面强化处理方法，并且处理后试样表面的光洁度较 高，特别适合对表面质量要求较高的试样进行局部强化处理。 1 2 3 激光冲击强化的发展概况 脉冲激光光束产生冲击波的性能在1 9 世纪6 0 年代第一次被认识和研究 2 0 ，3 0 。1 9 7 2 年，美国巴特尔纪念学院哥伦布实验室的f a i r a n db p 等人首 次用高功率脉冲激光诱导的冲击波来改变7 0 7 5 铝合金的显微结构组织以提 高其机械性能，从此揭开了激光冲击强化应用研究的序幕。1 9 7 8 年秋，该实 4 江苏大学硕士学位论文 验室的f o r ds c 等人与美国空军实验室联合，进行激光冲击改善紧固件疲 劳寿命的研究，结果表明激光冲击强化可大幅度提高紧固件的疲劳寿命 3 1 3 7 。后来法国c l f a ，l a l p ，l u l l 等实验室在这种加工的工业化应用方面花 费了大量精力进行研究 3 8 4 2 】。 从上世纪8 0 年代后期开始，欧洲、日本、以色列等国家和地区纷纷开 展了激光冲击强化技术的研究。上世纪9 0 年代在美国高频疲劳研究国家计 划的支持下，美国利佛莫尔国家实验室和通用电器公司( g e ) 等联合深入开 展了激光冲击强化技术的理论、工艺和设备等方面的研究，使激光冲击强化 技术获得了很大发展，逐步走向了实用。1 9 9 7 年，美国通用电器航空发动机 公司用激光冲击强化技术处理r o c k w e l lb - 1 b 轰炸机上f 1 0 1 - g e - 1 0 2 涡轮机风 机叶片的前缘，提高t n , 机叶片的疲劳寿命 4 3 ，4 4 。 自从激光强化加工发展起来后，显示出了极大的商业价值，通过与这项技 术相关的专利数量就可以看出来。从1 9 9 6 到2 0 0 1 年，单是通用电器公司就获 得了至少2 3 项激光强化方面的美国专利 4 5 ，4 6 】。 进入2 l 世纪，激光冲击强化技术的应用取得了长足进展。自从2 0 0 2 年 以来，美国将激光冲击强化技术大规模应用于航空零部件的制造和修理当 中。美国金属改性公司( m i c ) 公司将激光冲击强化技术应用于军民两用喷 气发动机叶片以改善其疲劳寿命，不但提高了其安全可靠性，而且每月还可 以节约飞机保养费和零件更换费共计几百万美元。美国预计仅仅在战斗机发 动机叶片的处理方面，就能节约成本至少1 0 亿美元【4 7 】。2 0 0 3 年，美联邦 航空局( f a a ) 和日本亚细亚航空( j a a ) 将激光冲击强化批准为飞机关键件 维修技术，当年这项技术即被用于波音7 7 7 飞机的零部件处理。2 0 0 4 年，美 国激光冲击技术公司与美国空军实验室开展了f 1 1 9 发动机钛合金损伤叶片 激光冲击强化修复研究，取得了巨大成功。对具有微裂纹、疲劳强度不够的 损伤叶片，经过激光冲击处理后，疲劳强度完全满足叶片使用的设计要求。 此外，对叶片楔形根部进行激光冲击强化处理后，其微动疲劳寿命提高了2 5 倍以上。目前，激光冲击强化技术已经大量应用于f 1 1 9 - p w 一1 0 0 发动机整体 叶盘等部件的生产。美国激光冲击技术公司应用可移动激光设备在飞机装配 现场对飞机蒙皮铆接后的铆钉及其周围强化，效果很明显 4 8 。 5 金属疲 南京航空航天大学初步验证了激光冲击强化是有作用的，在国内具有一 定的开创性。华中理工大学则对l y l 2 铝合金冲击前后的试件做了疲劳试验， 并且进行了初步的微观机理研究，表明激光冲击强化能够使位错密度提高2 1 倍、表面产生4 9 4 3 m p a 的残余压应力。北京航空制造工程研究所对铝合金 l y l1 2 铆接试件的铆钉孔进行激光冲击强化试验，结果表明激光冲击强化能 稳定地提高铆接结构疲劳寿命约8 0 4 9 。 从9 0 年代中期开始，中国科学技术大学和江苏大学对激光冲击强化的 研究工作进行的比较多。中国科技大学研制出了国内首台试验用的激光冲击 处理机，但该设备只能单次冲击，并且可靠性不高，只能用于试验，不能满 足航空部件的生产以及修理需要。江苏大学从激光冲击强化机理、涂层约束 层的应用和强化工艺试验等方面进行了一系列研究，并与中国科技大学合作 研制出了有重复频率的钕玻璃激光器。 国内外的研究均表明，激光冲击强化对各种镍基合金、铝合金、钛合金、 不锈钢、铸铁以及粉末冶金等均有良好的强化效果。 但是目前的研究多集中在激光冲击强化对材料的机械性能及其疲劳寿 命的影响方面，如对残余压应力，晶粒细化，疲劳裂纹生长的影响等，而对 按照数理统计方法分析材料在激光冲击前后疲劳安全寿命的研究还比较少， 因此有必要通过数理统计方法根据材料在激光冲击前后所得的疲劳寿命优化 其疲劳安全寿命。 1 3 疲劳寿命统计分析 6 疲劳问题是影响机械结构安全运行的重要因素之一。在结构设计中，我们 ( 6 ) 试验环境的偶然变化； 因为以上各种因素的影响，名义上相同的一组试样的试验结果，总会存在 一定的差异。由于每个试样的疲劳寿命取什么数值，事先无法知道，只有等到 试验做完，才能确定其大小。而且我们进行试验的次数毕竟有限，倘若试验次 数增多，完全有可能还有个别试样的疲劳寿命低于已知疲劳寿命的下限，或者 高于已知疲劳寿命的上限。但是，作为随机变量的疲劳寿命的大部分数值一般 都密集的分布在中间值附近，与中间值相差越大的数据出现的次数越少。其它 试验数据都存在这种特点，可见具有偶然性的随机变量是服从某一必然规律的。 为了正确处理这些数据，以反映客观事物的必然规律，必须借助某种统计分析 方法 5 0 】。 疲劳应用统计学是数理统计学在疲劳问题上的应用，是可靠性分析的主要 组成部分。它的应用范围主要包括疲劳性能测试、疲劳强度的可靠性分析与疲 劳载荷谱的编制等。 用疲劳应用统计学来确定出一个较低的结构使用寿命，即疲劳安全寿命， 能够保证结构设备在这个寿命范围内运行时的安全。目前用疲劳应用统计学确 定结构疲劳安全寿命的方法主要有作图法和解析法。 1 3 1 作图法 当己知母体是正态分布或威布尔分布，根据工作经验，子样一般至少取6 个。如果不知道母体是何种分布，需要通过作图法近似的检验母体是否遵循正 态分布， ( 1 ) ( 2 ) 则将所得 标纸上， ( 3 ) 寿命。 作图 它们是否 而且所需 若已 分布时， 对数 = 彦( 1 2 ) 将( 1 1 ) ( 1 2 ) 带入公式 5 0 】： 2 + “，盯2 z + “，s ( 1 3 ) 其中“，为可靠度所p 对应的标准正态偏量，可以求出对数安全寿命估计量 5 0 ： 屯= l g 以 ( 1 4 ) 当疲劳寿命符号威布尔分布时，子样平均值为 5 0 】： 戈= 吉善i , i m = 三 5 ) 子样标准差为 5 0 】： 1 4 主要研究内容 ( 1 6 ) ( 1 7 ) 成，占，进而求 ，若是疲劳安全 因此，有必要应 本文围绕激光冲击强化处理，以7 0 5 0 一t 7 4 51 航空铝合金和0 0 c r l2 耐热钢 为处理材料，研究激光冲击强化处理对其疲劳性能影响，并分别通过单侧容限 因数法a n - 维w e i b u u 模型法优化得出其考虑了置信度和可靠度的疲劳安全寿 命。课题的研究内容主要包括以下几个方面： 1 研究激光冲击强化对7 0 5 0 t 7 4 5 1 铝合金试样疲劳寿命的影响，分别用 单侧容限因数法和二维w b i b u l l 模型法得出7 0 5 0 t 7 4 5 1 铝合金试样的疲劳安全 寿命，并分析激光冲击强化对7 0 5 0 t 7 4 5 1 铝合金试样疲劳安全寿命的影响。 2 研究在常温下激光冲击强化对0 0 c r l 2 耐热钢标准拉伸试样疲劳寿命的 影响，分别用单侧容限因数法和二维w e i b u l l 模型法得出0 0 c r l 2 耐热钢标准拉 伸试样的疲劳安全寿命，并分析激光冲击强化对0 0 c r l 2 耐热钢标准拉伸试样疲 劳安全寿命的影响。 3 研究在温度为2 5 、4 0 0 、5 0 0 、6 0 0 条件下，激光冲击强化和温度 对0 0 c r l 2 耐热钢光滑圆棒试样力学性能的影响以及高温对试样疲劳寿命的影响， 分别用单侧容限因数法和二维w e i b u l l 模型法得出0 0 c r l 2 耐热钢光滑圆棒试样的 疲劳安全寿命，并分析高温对0 0 c r l 2 耐热钢标准拉伸试样疲劳安全寿命的影响。 9 金属疲劳性能激光强化改性及其疲劳安全寿命优化研究 开始使用到第 使用寿命不是 模拟可靠性相 来表示。可靠 度( r e l i a b i l i t y , r ) 定义为在规定的条件下和规定的时间区间( t l ，t 2 ) 内无故障持 续完成规定功能的概率，常用r ( t ) 表示，工程计算中常常使用不能完成规定功 能的概率，或称不可靠度。 置信度( c o n f i d e n c e ，c ) 也称为置信水平或置信系数，即在抽样对总体参数作 出估计时，由于样本的随机性，其结论总是不确定的。因此，采用一种概率的 陈述方法，也就是数理统计中的区间估计法，即以测量值为中心，在一定范围 内，真值出现在该范围内的概率有多大，这个相应的概率称作置信度。而置信 区间是指在某一置信水平下，样本统计值与总体参数值间误差范围。置信区间 越大，置信水平越高。置信度越高，置信区间也就越接近真实值的范围。综上 所述，置信度也可以理解为一种形式的安全系数。这通俗地说，就是你在多大 程度上相信这个结果，或者说这个结果的准确程度是多少。 统计推断的意义是根据一个子样或几个子样推断母体的情况，也就是从母 体中抽取一小部分个体来说明母体的某些性质。这种推断并没有百分之百的把 握，而是以一定概率作出判断，统计推断一般包括统计假设的检验和母体参数 的估计两类问题。由于零部件疲劳试验在人力和物力上消费很大，一般只能取 少数试件来进行试验，但又由于疲劳试验结果存在很大分散性，少数几个试件 的试验和寿命并不能代表整批零部件的疲劳寿命。未经试验的同类型产品中， 有的寿命可能要短得多。因此，需要借助统计分析方法，根据少数试件的疲劳 寿命来估计出整批产品的疲劳安全寿命 1 2 】。 本章内容主要介绍了单侧容限因数法和二维w e i b u l l 模型法优化疲劳安全 寿命的基本原理，并且考虑了可靠度与置信度的影响，然后综合考虑经济性、 金属疲劳性能激光强化改性及其疲劳安全寿命优化研究 安全性以及实用性等因素对两种方法所得结果进行了比较，以便在工程实际 选择最佳的数理统计方法。 2 2 方法简介 2 2 1 单侧容限因数法 通常要使测定出的安全疲劳寿命和安全疲劳强度具有一定的置信度，必须 保证有足够的试样。但是在实际的疲劳试验中，考虑到经济问题，往往只能有 5 6 个，甚至更少的试样。当试样个数不能满足观测值的要求时，可以借助单 侧容限因数k ，给出具有置信度y 和可靠度p 的疲劳安全寿命或疲劳安全强度 【5 1 。 当对数疲劳寿命遵循正态分布时，可靠度p 的对数安全疲劳寿命可以表 示为【5 1 ： z ，2 a + “p 盯 ( 2 1 ) 对于任何指定的可靠度p ，都可以确定出一个“，值，使得母体中有p 的个 体对数疲劳寿命大于+ “p 仃。因为真值和仃一般是不知道的，只能由有限 大小的子样来估计，例如用冤作为的估计量和用厣作为盯的估计量，称为 标准差修正因数，可在表2 1 中查到。由i + ”p 肛估计出的对数安全寿命，可 能大于真值+ “p 仃，也可能小于真值，没有十足的把握等于真值，而是在真 值的左右摆动。倘若估计出的安全寿命比真值大，则偏于危险。 为了使估计出的安全寿命不超过真值，就需要寻找一个因数k ，取代“，( k 也是一个负值，但是h i 甜p i ) ，使得由i + 堆估计出的对数安全寿命小于真值 + “p 盯的概率为y ，这个7 就是安全寿命的置信度。如取厂= 9 5 ，则意味着， 经过1 0 0 次抽样，估计出的1 0 0 个对数安全寿命数值孑+ 栖，其中9 5 个都小 于真值。这样，将i + 堆作为+ “p 盯的估计量，就有9 5 的把握。由此可见， 1 2 1 0 1 9 注：当 2 0 时，1 + 1 4 g 一1 ) 1 引入随机变量函数占= ( m + k s t s ) ，安全寿命孑+ 堆小于母体真值+ “。仃的 概率以置信度y 表示，则有【5 l 】： p ( 孑+ k p s 0 ， 0 ，r 为尺度参数，为形状参数( 或斜率) 。 密度函数为【5 2 】： 失效函数为 5 3 ： 朋) = ( f - ) f 7 77 7 ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) ，| ( 丁) ：( 生) ( 三) _ d( 2 1 3 ) 7 77 7 根据公式( 2 1 1 ) ，得出二维w e i b u l l 模型的疲劳安全寿命公式为 5 3 】： 1 = r - i n f ( t r ) ( 2 1 4 ) 对于参数的估计值，本文采用r r y 参数法( 即沿着y 秩线性回归) ，由公式( 2 1 1 ) 得出 5 1 一l n 1 一，( 丁) ) = - f l l n ( 7 7 ) + f l l n ( t ) ( 2 1 5 ) 令y = i n - i n 1 一f ( r ) 】) ，z = i n ( t ) ， a = 一f l i n ( z ) ，b = 夕， 公式( 2 1 5 ) 变形为： y = a + 缸( 2 1 6 ) 得到参数的估计值为 5 4 】： 1 7 金属疲劳性能激光强化改性及其疲劳安全寿命优化研究 t 乃 ：；善砩一 产 肛n 吉i 、么一一， i#一气广=l ， ( 2 1 7 a ) ( 2 1 7 b ) 就可得出安全疲劳寿命的 计参数的公式为【5 4 】： ( 2 1 8 a ) ( 2 1 8 b ) ( 2 1 8 c ) ( 2 1 8 d ) 式( 2 1 4 ) ，即可得出安全 江苏大学硕士学位论文 疲劳寿命的上限值t 。和下限值t l 。 由此，用二维威布尔模型法所得出的是一个疲劳安全寿命的取值范围和一 个中位值，可根据实际情况在此范围内选取所需要的安全疲劳寿命。理论上， 二维威布尔模型法所需试件的个数最少为2 个，只要有两个试样就可以使用二 维威布尔模型法。 2 3 两种方法比较 两种统计方