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非晶合金激光喷丸力学性能与变形行为实验研究及数值分析

傅杰  
【摘要】:非晶合金是目前最具吸引力的新材料之一,并且拥有优异的综合力学性能,在机械、电子、国防、航空航天等领域都有较广泛的应用前景,然而块体非晶合金在室温下的塑性应变能力较差,在工业应用上受到极大地限制。因此如何改善块体非晶合金的室温塑性,已经成为材料学领域的重要问题。随着激光技术的快速发展,激光喷丸技术在多个领域得到了极为广泛的应用,它在加工材料表面进行辐照,采用高功率密度、短脉冲激光产生高幅冲击波压力,使材料发生屈服和塑性变形,并在喷丸区域形成残余压应力,来提高加工件的强度、耐磨性、耐腐蚀性和疲劳寿命等力学性能。本课题利用激光喷丸技术处理Zr35Ti30Cu8.25Be26.75块体非晶合金,促进生成多重剪切带和深层压应力,提高了非晶合金的室温塑性。采用数值模拟结合实验研究,系统分析了非晶合金激光喷丸后的力学性能与变形行为,揭示了关键工艺参数对喷丸效果的影响规律;分别研究了梁状和柱状非晶合金激光喷丸后的弯曲变形和压缩变形行为,建立了宏观室温塑性与剪切带以及残余应力分布的关系;利用断面分析技术,研究了非晶合金激光喷丸后的塑性变形规律及其破坏特征,结合数值模拟,揭示了激光喷丸对非晶合金力学性能影响的内在机制。本项研究为提高非晶合金室温塑性提供了新途径。主要工作和结论如下:(1)基于自由体积理论、Mohr-Coulomb屈服准则以及激光冲击波时空加载曲线,建立了非晶合金激光喷丸的有限元模型,通过动力显式分析和静力隐式分析,对非晶合金激光喷丸后的变形行为进行了数值模拟,得到了激光喷丸后非晶试样的位移场、应力场和应变场,分析了宏观变形、微观变形以及残余应力分布规律,研究了不同工艺参数对激光喷丸的影响。结果表明,非晶试样经过激光喷丸后,在喷丸区域形成抛物面形状的微凹坑,同时试样产生微小的宏观变形,并在非晶试样表面和内部一定区域形成残余压应力分布。多点激光喷丸能够实现大面积的表面处理,当光斑搭接率由0%提高到50%,非晶试样的喷丸表面趋向平整,降低了由激光喷丸所引起的试样表面粗糙度,提高了深度方向上最大残余压应力值,增大了残余压应力影响层深度。因此合理的工艺参数和喷丸方案是获得最佳残余应力分布的关键因素。(2)建立了梁状非晶合金激光喷丸及三点弯曲实验系统,对梁状非晶合金进行激光喷丸处理,并对激光喷丸前后试样进行三点弯曲,利用SEM分析了弯曲断口形貌。在此基础上,对梁状非晶合金激光喷丸以及其后的弯曲过程进行了数值模拟。结果表明,梁状非晶合金经过激光喷丸处理后,可以明显改善其弯曲性能,双面喷丸试样的弯曲塑性挠度提高了16.8%,且随着激光喷丸区域增大,非晶试样的弯曲塑性越好;通过弯曲断口观察,未喷丸试样呈现出明显的剪切断裂特征,并最终沿着主剪切带发生脆断,而激光喷丸试样在拉伸区生成多重剪切带,使塑性变形分散进行。结合数值模拟发现,激光喷丸在非晶试样表面形成残余压应力,可以有效地减小弯曲拉伸区的应力集中,从而延缓主剪切带的快速扩展,提高非晶合金的弯曲塑性。(3)建立了柱状非晶合金激光喷丸及单轴压缩实验系统,对柱状非晶合金进行激光喷丸处理,并对激光喷丸前后试样进行单轴压缩,利用SEM分析了压缩正断面和侧断面形貌。在此基础上,对柱状非晶合金激光喷丸以及其后的压缩过程进行了数值模拟。结果表明,柱状非晶合金经过激光喷丸处理后,可以明显改善其压缩性能。激光喷丸试样的压缩塑性应变量可达1.48%,抗压强度可达1820 MPa,相比未喷丸试样均得到了提高,且随着激光脉冲次数增加,非晶试样的压缩塑性越好。结合数值模拟发现,激光喷丸可以诱导非晶试样表面生成新的自由体积,为初始剪切带和次生剪切带的生成创造了有利的形核条件。激光喷丸也可以促使非晶试样最大剪应力面边缘区域形成较高应力集中,有效地阻止了主剪切带的快速扩展,并为次生剪切带的生成创造了有利的动力条件。


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