激光沖擊強化技術是使用高度集中的方向和能量的激光束作為工具對表面進行修改和修改材料。接下來小編簡單介紹一篇優秀鋁合金論文。

　　引言

　　文中用于增強鋁合金圓桿件的表面力學性能，通過激光沖擊強化在圓桿件表面產生一層有益的殘余壓應力，這層殘余壓應力可以明顯增強材料的抗疲勞和耐腐蝕性能，延緩構件表面裂紋的擴展速率，從而提高鋁合金圓桿件的力學性能和疲勞壽命。

　　1激光沖擊強化原理

　　圖1為激光沖擊處理的示意圖，通過高功率(GW/cm2級)、短脈沖(ns級)的強激光誘導產生的沖擊波作用在材料表面[1-2]，當激光束透過透明的約束層作用在覆蓋材料表面的吸收層上時，材料表面的吸收層瞬間氣化電離產生高溫、高壓等離子，等離子持續吸收激光能量發生膨脹，因約束層的存在，限制了等離子體的膨脹，導致等離子體爆炸而產生了向材料內部傳播的沖擊波，即激光應力波，當應力波的峰值壓力足夠大時，使得材料表層組織發生變化，并在材料的表層形成彈性變形，同時使材料表層產生高密度位錯、晶粒細化，并伴有殘余壓應力生成，從而改善材料的疲勞特性和力學性能[3-4]。激光強化的實質是應力波與材料相互作用產生的結果，約束層可提高沖擊波的峰值壓力及作用時間，吸收層一方面吸收脈沖能量產生等離子體，另一方面保護材料表面免受激光的熱損傷。

　　2圓桿件的有限元模型

　　選取材料為2024鋁合金，運用ABAQUS有限元軟件建立2024鋁合金圓桿件的有限元模型，由于試樣模型和激光沖擊應力均呈中心對稱分布，所以為了提高運算效率，精簡模型，只需建立模型的一部分進行模擬運算即可[5-6]。圖2為直徑6mm、長度3mm的1/2鋁合金圓桿模型。本構模型采用Johnson-Cook模型，這種模型能很好地反映應變率因素對靶材塑性變形的影響，關系清晰且參數較少，非常適合定義高應變率下的金屬材料[7-8]。ABAQUS/Explicit模塊中自帶有此種模型，可以直接調取使用。J-C模型的關系式表示為(1)式中：σ為VonMises應力;ε為等效塑性應變;ε0為相對等效塑性應變率，取ε0=1;A,B,C為材料常數。本次采用2024鋁合金為模型材料，其力學性能參數及J-C模型參數如表1所示[9]。

　　3模擬結果與分析

　　3.1動態應力

　　在ABAQUS/Explicit的后處理器中，可以顯示模型中激光誘導應力波在圓桿內的傳播過程。圖4所示為桿中的應力波動態云圖，由圖可以看到，在初始時刻0ns時，激光沖擊波還未加載到圓桿上端面，圓桿內沒有應力產生。從0~20ns之間，激光沖擊波開始加載到圓桿上端面，上端面材料受到壓應力作用內部產生了膨脹波沿著圓桿縱向傳播，膨脹波的波形呈現“扁平”狀。隨著激光誘導的沖擊波繼續傳播，在140ns時可以看到在光斑邊界處，激光沖擊波發生了分化，形成了一部分沿徑向向光斑中心匯集的剪切波和一部分沿徑向向外傳播的“瑞利波”，這時候沖擊波的波形像似一個“半球狀”向圓桿內部擴展。經過對波在材料中的傳播情況觀察發現，相同時刻膨脹波的位置一直在剪切波和“瑞利波”的前面，說明在三種不同的波中，膨脹波的傳播速度最快。在220ns時刻，在桿中心部位匯集了許多剪切波，而且波的形狀像似一個扁平的“八”字形，這個時刻“瑞利波”的位置在圓桿的邊界處，經過邊界材料的反彈作用，往反方向的圓桿中心匯集，經過280ns的時間，剪切波到達圓桿中心，這時候剪切波逐漸匯集到圓桿中心處，剪切波的形狀像似一個大頭的“人”字形，從280ns以后膨脹波和剪切波匯合一起向圓桿底部傳播，在480ns時刻傳播到圓桿底部區域。圖5所示為圓桿中，應力波沿軸向和徑向方向傳播的動態應力。由圖5可知，對于給定桿徑，應力波沿軸向傳播時，隨著傳播距離的增大，近似為指數規律衰減，因靶材的硬化作用，應力波的波形被緩慢拉長，出現所謂波的“彌散”現象[10]，在桿的徑向方向同樣出現此種現象，應力波強度逐漸減弱，是由于材料內部固有的黏性使沖擊波隨著傳播距離的增大產生了不可逆的能量損耗[11]。

　　3.2單點沖擊殘余應力分布

　　圖6為直徑6mm，長度3mm的圓桿件，在單點沖擊下的殘余應力云圖。單點沖擊次數分別為1次、2次、3次和4次。圓桿端面單點多次沖擊軸向和徑向殘余應力分布圖，如圖7所示，由圖可知，激光沖擊后在圓桿表面產生了大約367MPa的殘余壓應力，從圖7(a)可以看出隨著沖擊次數的增加，圓桿深度方向的殘余壓應力存在的深度越來越深，1次、2次、3次和4次沖擊后殘余壓應力存在的深度分別為0.8、1.0、1.2、1.3mm，通過比較分析可以得到，隨著沖擊次數的增加，圓桿內殘余壓應力存在的深度逐漸加深，而當激光沖擊強化次數增加到三次時，殘余壓應力增加的速率逐漸減小，當單點沖擊次數達到一定值時，圓桿內殘余壓應力的深度將不再增加。通過圖7(b)可以得出，單點多次沖擊對鋁合金圓桿徑向方向的影響不是很明顯，只是多次沖擊后在光斑邊緣處產生的有害殘余拉應力逐漸增大，所以單點多次沖擊情況下，需要既考慮軸向殘余壓應力深度的增加，又要防止在沖擊光斑邊緣產生較大的殘余拉應力。

　　4結論

　　文中利用ABAQUS有限元軟件，對2024鋁合金圓桿經激光作用后的動態響應進行了模擬，模擬了激光誘導的應力波在圓桿中沿軸向和徑向的衰減規律，研究圓桿端面單點多次沖擊時，殘余應力在軸向和徑向的分布規律。得到以下結論：1)激光沖擊作用后，圓桿內的應力波在圓桿軸向和徑向存在同樣的衰減規律，而且在圓桿中產生了波的“彌散”現象。2)單點多次沖擊下，隨著沖擊次數的增加，圓桿內殘余壓應力存在的深度逐漸加深，而當激光沖擊次數增加到3次時，殘余壓應力增加的速率逐漸減小，當單點沖擊次數達到一定值時，圓桿軸向殘余壓應力的深度將不再增加;多次沖擊后圓桿表面光斑邊緣處的有害殘余拉應力逐漸增大。所以單點多次沖擊情況下，需要既考慮軸向殘余壓應力深度的增加，又要防止在沖擊光斑邊緣產生較大的殘余拉應力。

　　閱讀期刊：電工合金

　　《電工材料》原刊名為《電工合金》，是桂林電器科學研究所主辦的專業技術刊物。主要報道電工領域相關材料(電觸頭材料、磁性材料、雙金屬、電阻、電熱合金等)的研究現狀及相關應用成果�！峨姽ず辖鹜ㄓ�&電工合金文集;電工合金》現用刊名《電工材料》電工合金收錄情況/影響因子