几何形状对激光冲击波诱发残余应力场的影响

几何形状对激光冲击波诱发残余应力场的影响

111，2

陈瑞芳，陈玉晓，花银群

(1．江苏大学机械工程学院，江苏镇江212013;2．北京航空航天大学化学与环境学院，北京100083)

摘要:为了提高钛合金类杆件的疲劳强度，采用Nd:Glass强脉冲激光对TC4漏斗形试件的表面进

用X射线应力仪测试了冲击区域的残余应力，同时利用有限元软件ANSYS对行了激光冲击处理，

不同形状的试件即平面试件、漏斗形试件和圆柱形试件以及不同的试件直径与光斑直径比η的激

光冲击处理过程进行了模拟．结果表明，模拟与试验取得较好的一致性，且漏斗形试件可简化为与之相应的圆柱形试件进行模拟;试件形状对残余应力场的影响主要体现在Y方向和Z方向，而对X方向的残余应力分布几乎没有影响;不同的η主要影响光斑中心处深度方向即径向和周向的残余应力分布，而对轴向影响较小．

关键词:激光冲击强化;残余应力场;有限元分析;TC4钛合金;几何形状中图分类号:TN249;TG178文献标志码:A文章编号:1671－7775(2011)02－0190－05

GeometricaleffectsonresidualstressinTC4titanium

alloysubjecttolasershockprocessing

2

ChenRuifang1，ChenYuxiao1，HuaYinqun1，

(1．SchoolofMechanicalEngineering，JiangsuUniversity，Zhenjiang，Jiangsu212013，China;2．SchoolofChemistryandEnvironment，BeijingUniversityofAeronauticsandAstronautics，Beijing100083，China)

Abstract:InordertoimprovethefatiguestrengthofTC4，Nd:Glasspulselaserwasusedtotreatthesur-faceofinfundibulatespecimenX-raystressanalyzerwasadoptedtotesttheresidualstressdistributionofshockedarea，andtheprocessoflasershockondifferentgeometricalspecimenwithdifferentratio(η)betweenthediameterofspecimenandlaserspotweresimulatedbyANSYS．Theresultsshowthatthesimulationisingoodagreementwithexperiments．Theinfundibulatespecimencanbesimplifiedtocylin-dricalspecimen．GeometricaleffectsonresidualstressmainlyactonXdirectionandZdirectionandal-mostnoeffectsonYdirection．Thedifferentη'smainlyaffectresidualstressdistributionalongthein-depthdirectionandthecircumferentialdirection，butveryfewonlongitudinaldirection．Keywords:lasershockprocessing;residualstressdistribution;finiteelementanalysis;

TC4titaniumalloy;geometry

激光冲击强化(lasershockprocessing，简称LSP)是利用高功率激光与金属材料相互作用产生的瞬态冲击压力，在材料内部产生塑性应变，从而改善金属材料表层显微组织和机械性能的一种新型表

面强化技术

［1］

．钛合金由于比重小、强度高、耐腐蚀

性强等优点被广泛应用于航空发动机、航空构架等

疲劳是这些构件在服役期间的主要失效重要构件，形式之一

［2－3］

，研究TC4钛合金的激光冲击强化对

收稿日期:2010－09－08

基金项目:国家自然科学基金资助项目(50451004)作者简介:陈瑞芳(1968—)，女，湖南长沙人，副教授(huayq@ujs．edu．cn)，主要从事激光表面加工研究．

陈玉晓(1984—)，女，河南鹤壁人，硕士研究生(chenyuxiao0912@163．com)，主要从事激光冲击强化技术研究．

第2期陈瑞芳等:几何形状对激光冲击波诱发残余应力场的影响

当修改

［10］

191

于提高其机械性能有着极为重要的意义．目前，国内外学者对激光冲击平面试件诱发残余应力的报道比

较多，而对激光冲击曲面试件诱发残余应力的研究较少

［4－9］

．

根据试件尺寸建立的有限元模型见图2．

．

文中拟采用ANSYS有限元分析软件对激光冲击强化TC4钛合金的漏斗形试件和圆柱形试件分别进行研究，并与平面试件的冲击强化结果进行比较，同时将研究不同的试件直径与光斑直径比值η对激光冲击处理诱发残余应力场的影响．

1激光冲击处理试验

图23－D有限元模型及边界条件

Fig．23－Dfiniteelementmodelwithboundary

试验材料为TC4(Ti－6Al－4V)钛合金，其化学

5.5%～6.75%;V，3.5%～成分质量分数如下:Al，

4.5%;Fe，0.022%;N，0.024%;H，≤0.3%;C，0.0019%;O，0.16%;其余为Ti．试件的形状尺寸如图1所示．

如图2所示，为了加快模拟时的运行速度，取

1/8进行模拟，长度取10mm．在图形界面中以Y轴为中心对称轴，用solid1单元划分网格，冲击半径

Z坐标方向以及2倍冲击长度的X为2.5mm，在Y，坐标方向上，进行网格细化，设置单元尺寸为0.125

mm，其余的单元尺寸设置为0.25mm．边界条件如图2所示，对模型的底面和右侧面施加非反射边界条件，对底面、左侧面和后面施加对称边界条件，在ANSYS/LS－DYNA中对称边界条件实际上即为施加零约束．假设材料符合各向同性理想弹塑性模型，遵守VonMises屈服准则，对应材料库中的双线性各向同性模型．模拟的材料为TC4钛合金，其力学

3

性能参数如下:密度ρ=4500kg/m;泊松比ν=0.342;弹性模量E=110GPa;Hugoniot弹性极限HEL=2.8GPa．压力时程曲线简化为三角波(如图3所示)，峰值压力P=4.3GPa．

Fig．1

图1试件形状及尺寸示意图

SchematicconfigurationsofTC4speciman

按照GB2107—80取D=15mm;d=7.5mm;圆弧半径R=5d;L=40mm．试验所用激光器为Nd:YAG脉冲激光器．激光冲击试验参数如下:功率密

2

度为17.4GW/cm;波长为1．06μm;脉宽为20ns;频率0.1Hz;光斑直径5mm．采用对激光透明的水做约束层，水流厚约3mm，为增强材料对激光能量吸收的同时保护试样表面不被高能激光灼伤，采用铝箔为能量吸收涂层．残余应力的测试在X－35残余应力测试仪上进行．

2

2.1

有限元分析

图3简化后的压力－时程曲线Fig．3Plasmapressurehistory

2.2结果与分析

有限元模型及网格划分

在ANSYS/LS－DYNA处理器中，主要按如下步骤建立激光冲击强化有限元模型:①定义单元类型;②选择材料本构模型;③建立几何模型;④网格划分;⑤施加边界条件;⑥施加冲击波压力载荷;⑦求解控制设置;⑧输出K文件并进行适

2.2.1试验结果与模拟结果的对比

激光冲击处理的试验中漏斗形试件的尺寸如下:d=7.5mm;R=37.5mm;D=15mm;长度L=40mm．激光冲击的峰值压力为4.3GPa，脉宽为20ns，光斑直径为5mm，并进行了相应条件下的激光冲击处理过程的模拟．激光冲击区域表面沿轴向的残余应力试

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江苏大学学报(自然科学版)

第32卷

验测试值与有限元分析结果见图4a，激光冲击中心区域的残余应力随深度变化即径向的试验测试值与有限元分析结果见图4b，激光冲击区域表面沿周向的

残余应力测试值与有限元分析结果见图4c．

Fig．4

图4试验结果与模拟结果对比

Experimentalresultscomparedwithsimulationresults

由图4可知，有限元模拟结果和试验结果基本一致．试验测得的冲击表面最大的残余压应力大约为468MPa，且获得了较深的残余压应力层(约为0.6mm);而模拟得到的表面最大残余压应力为492MPa，比实测值大了5.1%;模拟得到的残余压应力层约为0.56mm，比实测值小了约6.7%．随着距离表面深度和到光斑中心距离的增加残余压应力逐渐减小，这也进一步验证了应力波在材料内传播时，其压力随传播距离的增加成指数规律衰减．

几何形状，分别对平面试件、漏斗形试件和圆柱形试

件进行激光冲击处理，且圆柱形试件的直径与漏斗5b，5c分别为10mm×形试件最小直径相等．图5a，10mm×5mm平面试件、最小直径为5mm漏斗形Y方向试件及直径为5mm圆柱形试件的X方向、和Z方向(平面试件的Z方向，漏斗形试件和圆柱5e，形试件的圆周方向)上残余应力的分布;图5d，5f分别为10mm×10mm×7.5mm平面试件、最小直径为7.5mm漏斗形试件及直径为7.5mm圆柱

Y方向和Z方向上残余应力的分形试件的X方向、

pm表示平面试件，ld表示漏斗形试件，yz布．其中，

表示圆柱形试件，σX和σZ分别为残余应力在X方向和Z方向的分量．

2.2．2试件形状对残余应力场分布的影响

为了研究试件形状对残余应力场分布的影响，

2

设激光功率密度为17.4GW/cm，对应的峰值压力为4.3GPa，其他激光冲击参数同上，只改变试件的

Fig．5

图5不同形状试件的残余应力分布

Residualstressesofdifferentgeometricalspecimen

第2期陈瑞芳等:几何形状对激光冲击波诱发残余应力场的影响

193

5e可知，由图5b，最小直径为5mm漏斗形试件及其对应的圆柱形试件中心附近产生了较大的

残余拉应力，而当试件直径增大至7.5mm时，试件中心附近的残余拉应力减小了很多．故笔者认为这主要是由于试件直径和光斑直径相当，激光辐照面的曲率过大，以至于应力波在卸载后产生较大残余拉应力．综上所述:①试件的形状主要影这主要是因为除漏斗响Z方向的残余应力分布，

X方向和Y方向皆为直线路径，形试件外，而漏斗形试件的X方向曲率半径较大，由极限思想可知，

这两个方向上的残余应力分布理应一致;而在Z方向上，漏斗形试件和圆柱形试件均为曲线路径，可理解为厚度不断变化的平面试件，故和平面试件的残余应力分布相差较大．②漏斗形试件及其对应的圆柱形试件的残余应力分布基本一致，这

是因为漏斗形试件的圆弧半径R=5d即R至少为

光斑直径的5倍．所以，在进行激光冲击模拟时漏斗形试件可以简化为圆柱形试件．这也验证了文

6］献［中将漏斗形试件简化为圆柱形试件的正确性．

2.2.3η对残余应力分布的影响设试件直径和光斑直径比为η，为评价η对残

7.5，分别选择最小直径为5，余应力场的影响，

10mm的漏斗形试件，光斑直径为5mm(即η=1，1.5，2)，峰值压力为4.3GPa，压力时程曲线如图3

6b，6c分别为最小直径为5，所示进行模拟．图6a，

7.5，10mm漏斗形试件的轴向、径向和周向的残余应力分布，其中ld表示漏斗形试件，其后的数字表

σX，σZ分别为残余应力示漏斗形试件的最小直径，

在X方向和Z方向的分量．

Fig．6

图6不同η的漏斗形试件的残余应力分布

Residualstressesofinfundilatespecimenwithdifferentη

由图6a可见，η对轴向的残余应力分布几乎没有影响;由图6b可见，当η=1时，试件中心处存在较大的残余拉应力，虽然试件的疲劳裂纹大部分起始于表面，但若中心处残余拉应力过大仍会降低试件的疲劳寿命;当η=1.5时，试件的残余应力分布曲线较平缓且中心处的残余拉应力显著减小;当η=2时，试件的残余应力分布曲线平缓，试件中心处的残余拉应力已无急剧变化．因此，对曲面进行激光冲击处理时，建议η至少取为1.5．由图6c可见，η主要影响σX方向的残余应力周向表面均为分布．当试件最小直径为5mm时，

压应力，且随着到光斑中心距离的增大而逐渐减小．随着试件最小直径的增大，残余应力的X方向分量和Z方向的分量逐渐接近，这是因为随着试件最小直径的增大，冲击区域的周向弧度逐渐减小，越来越接**面．由此可以看出，η主要影响径向和周向的残余应力分布，对轴向的残余应力分布几乎没有影响．

(1)试件的形状主要影响Y方向和Z方向的

残余应力分布，漏斗形试件及其对应的圆柱形试件的残余应力分布基本一致．

(2)试件直径和光斑直径比η主要影响径向和周向的残余应力分布，对轴向的残余应力分布几乎没有影响，只需选择合适的η值即可获得较为理想的冲击效果．

(3)漏斗形试件可简化为与之对应的圆柱形试件进行仿真，且曲面试件可推广至其他更为复杂曲面试件进行激光冲击处理的模拟．

参考文献(References)

［1］MontrossCS，WeiT，YeL，etal．Lasershockpro-cessinganditseffectsonmicrostructureandpropertiesofmetalalloys:areview［J］．InternationalJournalofFa-tigue，2002，24(10):1021－1036．

3结论

194

江苏大学学报(自然科学版)

millannealonthemechanicalpropertiesofTi－6Al－4Vcasting［J］．AdvancedMaterials＆Processes，2000，157(5):75－77．

第32卷

［2］LeiCSC，DavisA，LeeEW．EffectofBSTOAandeffectsonresidualstressesin7050－T7451aluminumalloyrodssubjecttolasershockpeening［J］．JournalofMaterialsProcessingTechnology，2008，201(1/2/3):303－309．

［7］DingK，YeL．Simulationofmultiplelasershockpee-．JournalofMaterialsningofa35CD4steelalloy［J］

ProcessingTechnology，2006，178(1/2/3):162－169．

［8］HuYongxiang，YaoZhenqiang，HuJun．3-DFEMsi-mulationoflasershockprocessing［J］．Surface＆Coa-2006，201(3/4):1426－1435．tingsTechnology，

［9］HuYX，YaoZQ．FEMsimulationofresidualstresses

inducedbylasershockwithoverlappinglaserpots［J］．ActaMetallurgicaSinica(Englishletters)，2008，21(2):125－132．

［10］陈瑞芳，桑

毅，武敬伟，等．7050铝合金激光冲击

J］．江苏大学学报:自然科强化的试验和数值模拟［2009，30(2):113－117．学版，

ChenRuifang，SangYi，WuJingwei，etal．Experimentandnumericalsimulationoflasershockprocessingin7050aluminumalloy［J］．JournalofJiangsuUniversity:NaturalScienceEdition，2009，30(2):113－117．(inChinese)

［3］ZhangGuimu，YuChao，ShiRongchen，etal．Experi-mentalstudyonthemillingofthinpartsoftitaniumalloy(TC4)［J］．JournalofMaterialsProcessingTechnology，2003，138(1/2/3):4－493．

［4］陈瑞芳，郭乃国，花银群．激光冲击参数对残余应力

．中国激光，2008，35场影响的三维数值模拟［J］(6):931－936．

ChenRuifang，GuoNaiguo，HuaYinqun．Numericalsimulationofeffectsoflasershockparametersonresi-dualstressfieldinducedbylasershockprocessing［J］．ChineseJournalofLasers，2008，35(6):931－936．(inChinese)

［5］张兴权，张永康，顾永玉，等．激光冲击强化2024－T3

J］．农业机械学报，2007，铝合金的数值模拟与试验［38(12):181－184．

ZhangXingquan，ZhangYongkang，GuYongyu，etal．Numericalsimulationandexperimentalinvestigationonlasershockprocessing［J］．TransactionsoftheChineseSocietyforAgriculturalMachinery，2007，38(12):181－184．(inChinese)

［6］YangCH，HodgsonPD，LiuQC，etal．Geometrical

(责任编辑梁家峰)