激光冲击强化残余应力的有限元模拟

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激光冲击强化残余应力的有限元模拟
PACS.62.50.+p 高的压力和冲击波效应的固体和液体的-68.35.gy 机械性能；表 面应变。
1 引言和基本的激光喷丸
激光冲击强化是目前公认的一种有效的表面处理方式， 以改善金属表面的电 阻[1]，对疲劳磨损或腐蚀侵略[2]。近 30 年前开始巴特尔研究所对许多已被研 究的材料就有能力去加强，如铝，钢或钛合金，激光冲击现在已经达到产业的这 一步，因为多个应用程序已被证明。人们可以提出 LP 处理风扇叶片锋利的边缘 对飞行物体的损坏（FOD） ，在核电厂加强的热影响区域靠近焊接接头 [3] ， 还有许多迎面而来的应用程序的细节已经由 GE 公司投入 [4]。近来，来自美国 政府的特别拨款，以改善治疗的适用性，连同出现的新的高韵律激光源[5 ] ， 增加关于 LP 的研究。 基本过程现在清楚地表明[1,2]：高强度的几个 GW/cm2 激光脉冲赋予金属靶，蒸 发的第一颗原子弹等离子层（近 1 μ m 的/次） ，并创建一个等离子体。这高温 （高于 10 000 K ）和高压（GPA）等离子的金属，当在金属中扩展时，诱发可 塑化的金属表面并诱发压应力的冲击波。常见的配置，称为作为“密闭的烧蚀机 制”，使用：（1）一个保护涂层，以避免热效应，和（2）浸渍水层下面的照射 目标（> 1 毫米） ，以捕获等离子体，并与直接照射机制相比增加其压力（因 子 5 ）和持续时间（因子 2 ）（图 1） 。 在通常的配置，LP 赋予材料的残余应力，与受影响的深度可达 2 毫米，该值远 远大于那些通过常规射诱导喷丸或超声喷丸处理系统。 两年或三年以来，据报道有限元模拟，在 LP-诱导的残余应力领域，主要是 轴对称的条件下，钛铝合金，常规的[8 ]或非常小的（ <0.1 毫米）的影响[9]。 我们的工作遵循这些有限元方法，并使用实验确定的压力负荷，冲击材料的屈服 强度和残余压力测定，以证模型。单次冲击影响负荷和最多 3 个已提交给目标， 并与实验值对比。 在下文中，残余应力的测量无论是由 X-射线衍射得到的（XRD）方法，使用通常 的 2Θ = （ SIN2 Ψ ） ，或通过深入的增量钻孔法测定[10] 。
图 1 在水密闭的激光冲击强化基本方案
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2 有限元模型和分析
商用有限元软件 ABAQUS [11 ]被用来计算激光冲击期间和之后的应力和变 形分布对金属的影响。 为了分析激光诱导的冲击波， 而他们在金属靶的传播，既考虑到水动力衰减的冲 击波，还有弹塑性材料的行为。因此，有几个参数必须加以考虑，例如：震荡屈 服强度的金属 HEL（ Hugoniot 弹性极限） ，雨贡纽曲线：压力 P （GPA）对粒 子的速度 U（米/秒） ，包括声阻抗 ρ D 其中 P = ρ DU （ ρ =密度和 D = soundvelocity 的=C0 + SU ） ，和一个机械包括一个应变关系如率相关 Johnson-Cook 本模型。状态方程（EOS）提供了一个水动力材料，其中的材料的 体积强度由 EOS 决定。在我们的例子中， EOS 的作为 D-U 线性（GR“ uneisen EOS ） 。可塑性模型，对应于偏部分的应力，第 2.3 节中。
������ ������������������ = (A + B������������������ )[1+CLn( )]× [1 − ( ������ 0
������
������ − ������0 ������������������������������ − ������0
)������ ]
激光冲击强化残余应力的有限元模拟
欧洲.物理.J.AP 23,83-88(2003)欧洲应用物理杂志 DOI: 10.1051/epjap:2003037
激光喷丸诱导的残余应力的有限元模拟
P. Peyre1,a, A. Sollier1, I. Chaieb2, L. Berthe1, E. Bartnicki1, C. Braham2, 和 R. Fabbro1
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图 2 轴对称目（ 4 毫米× 6 毫米= 40 × 40 =1600 元素）用于有限元模拟
2.2 计算步骤
有限元计算，2 步进行，两者均为进行了在 ABAQUS /明确的代码，这是专 门用于动态分析。在第一个步骤中，压力脉冲（参见 2.3 节）提交的目标，推动 震荡波和衰减深入。总步数之间的时间范围为 200 ns 和 500 ns 的（两倍以上的 压力脉冲持续时间） ， 从而使冲击波的行为完全弹性。 第二步骤计算的残余变形， 并应力场。 它的持续时间近 1 毫秒（以两个数量级不再比第 1 步时间前面已经提 到[8] ） ，以达到一个恒定的状态。这两个步骤需要约 1 小时的计算时间分析 1 激光冲击事件。随后，附加的激光冲击可以通过使用其他的计算步骤模拟（步 骤 320◦C。 作为对比，以前的调查张等。 [9]在非常小的影响，选择了构斯坦伯格模 型考虑压力的影响。在我们的情况下，不断的冲击在被发现后的屈服强度 HEL 根据 LP （见第 3.2） 在不同压力下， 使我们不考虑任何的震撼与依赖的 HEL 压力。
3 测定的动态载荷与冲击屈服强度与 VISAR 诊断
我们提出以下一些实验结果 VISAR 测速技术，使我们同时确定压力负荷和 Hugoniot 弹性在激光喷丸条件的限制。
3.1 压力随时间变化的载荷
加载条件作为输入值 ABAQUS 显式 VISAR （速度任何反射干涉仪）压力测 定为 2.5 ns ， 10 ns 和 25 ns 的脉冲持续时间。这种技术可以让我们通过测量 自由表面速度背后不同箔厚度（与使用在探头的激光束多普勒效应） ，图。 3。 有限元模拟衰减过程中的震荡幅度在 7075 铝合金的传播（ 3 GW/cm2-25 NS 影 响） 。准确地确定 P = F（ T）配置文件[6,10] 。因此，真实的实验 P = F（T） 配置文件已被使用在代码中输入负荷。在 2.5 ns 的脉冲的情况下，8 GPA 的最
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大压力可产生 （ 20 GW/cm2 ）， 只有 5 GPA 为 10-25 ns 的脉冲 （ 8-10 GW/cm2 ）。 半宽的压力脉冲持续时间：6-7 NS 为 2-3 ns 的脉冲， 20-25 纳秒为 10 ns 的脉 冲（图 3） ， 20-25 纳秒激光脉冲的 45-50 纳秒。这些驱动负载条件不同的受影 响深度：小的情况下，短的影响（ 3 纳秒） ，由于一种快速弹性塑料衰减冲击 波的深入，20-25 ns 的脉冲持续时间。一个例子震荡深入的波的衰减是在图 3 中所示，对于一个 3 GW/cm2-25 ns 的影响上的 7075 铝合金。
在 7075 铝合金，弹性前驱体实验近 1.05 帕（图 5） ，这表明了动态屈服 强度 600 兆帕。对于这两种材料，高应变率在 LSP 激起了 30-40 ％的增长修改 HEL 值的屈服强度。因此，约翰逊 - 库克模型值也有被修改（见表 1 ：C 系数= 0.14 ） ，以重现真正的塑性流动限制在 106 S-1 。
激光冲击强化大多采用圆形的影响，交付 YAG 激光棒。当进行材料产生的激 光的影响已被证明挑起中心应力降（忘记了自己等人[14]） ，由于收敛处产生 的扩增表面 Rayleigh 波边缘的影响。 这种现象，这是不是真的为工业的关键始终执行的应用，因为 LP 大量的影响和 重叠，可以再现方便地与一个轴对称的计算，如图 图 6 为一个 8 GW/cm-2-25 ns 的影响在 12 铬钢。径向（ σ 11 ）和周向残余应 力（ σ 33 ）被认为是几乎等效的，而 σ 22 （沿激波传播）是弱的。中央残留 应力水平为接近 0 MPa 时，而在 r / 2 ， -300 兆帕的级别显示。 3 影响 LP 治 疗，该协议实验测定之间（通过 X-射线衍射）和计算值是相当不错的，即使有 限元模拟低估的残余应力水平近-100 兆帕。这种差别可能来自初始残余应力水 平，或收率的变形与第 2 次的影响，还没有计算在我们的模型中（通常可以忽略 不计的一阶<+10 ％最大硬化） 。 实验和模拟的深入应力（图 7 ）表现出相同的演变，但再次的 模拟低估了应力幅值，尤其是在第一个 200 微米（ -600 -700 兆帕的经验，-400 至-500 兆帕的仿真） 。这种差异的部分内容可能是由于实验应力测定（增量式钻 孔法） ， X 射线衍射测量表明-600 MPa 最大水平。最后，对模拟应力拉伸下方震
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图 6 诱导对 12 Cr 钢的残余应力的仿真 8 GW/cm2-25 NS - 6 毫米的圆形 影响（5 GPA） 。证据的应力的影响的中心孔。对照 3 影响治疗后的 X 射线衍射测量。
4 有限元模拟
4.1 有 12 铬钢激光冲击强化单/多影响和不同的脉冲持续时间
接收于：2002/18 通过 2003/04/08 发表于：2003/06/12
摘要：激光冲击强化的益处已被证实的领域，如疲劳，穿几次或应力腐蚀 开裂。然而，尽管在残余应力计算上的最近的工作中，有相当一部分编者已经 考虑了用有限元法（FEM）的方法来预测激光诱导机械的效果。这主要来源于在 激光冲击的高应变率（ 第 106 章-1） ，有必要进行动态性能的精确测定，也 可以从可能的组合的热和在低压没有保护涂层的情况下的机械载荷。在本文中， 我们的目标是提出一个全球性问题的方法，从负载条件和动态屈服的决心在含 12％Cr 马氏体不锈钢诱导的优势， 完成与残余应力场的有限元计算钢和 7075 铝 合金。
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2.3 物料
P. Peyre 等：有限元模拟残余应力引起的激光冲击强化 85 表 1 中物理和机械的材料特性的金属
12％ Cr 不锈钢是一种工业用的材料，这是其良好的耐腐蚀性，主要用于 涡轮叶片和在高温下的耐疲劳性。 7075 是一个非常广泛使用的铝合金航空应用， 由于其高的机械阻力。他们的物理和机械的性质归纳在表 1 中，连同与纯的铝， 作为保护涂层。要重现的在高的应力 - 应变的依赖性应变速率具有各向同性， Johnson-Cook 塑性法硬化使用， 考虑到的应变速率依赖之间的应力 ε 0 = 10.2 。 1（准静态负载）和 ε eq = 106 中一（激光冲击情况下） 。 因此， σ eq 被表示为：
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图 4 典型的压力随时间变化的负荷确定 VISAR 技术的使用 2 个不同的激光 脉冲持续时间（3 ns 和 10 ns 的） ，行驶到最大的激光强度压力值（ 7.6 GPa 和 5.2 GPA ） 。 在这种情况下， 12 ％的 Cr 的马氏体钢的实验的 HEL 价值，确定后面的 1.8 毫米箔，被认为是 2 + /Ⅳ '0.2 帕（图 4） ，这对应至 1150 兆帕的动态屈 服强度根据于下式：
图 3 有限元模拟衰减过程中的震荡幅度在 7075 铝合金的传播（ 3 GW/cm2-25 NS 影响） 。
3.2 的冲击屈服强度的测定
Hugoniot 弹性极限（HEL） ，对应于产生纯单轴冲击负荷的优势下，已经 考虑弹性前驱体的冲击波确定在传播过程中的薄箔[6]。确实，由于差异之间的 弹性和塑性的速度， 速度的冲击波的弹性部向离开的倾向塑料部件，从而形成一 个命名为高原等的拐点弹性的前兆。
2.1 轴对称啮合
为了模拟应用在顶表面上的圆形的激光冲击材料，可以假设一个轴对称模 型。因此，轴对称模型已经建立，它允许计算残余应力引起的圆形影响（单次或 重复） ，在一个近似半无限体内。 “模型由 CAX4R 元素（连续，轴对称， 4 个 节点， 减少集成） ， 与使用了 Y - 方向的偏置功能， 允许更密集的网的表面附近。 随着这些条件下， 40×40 = 1600 个元素 用于啮合的 4× 6 毫米的机身（图 2） 。 “厚度的金属（6 毫米）被选择以避免触电波反射，其残余影响： 2-3 毫米以下 的冲击波是完全弹性的，效果是微不足道的。 涂层（通常为 70-100 微米铝粘合 剂） 是用来保留在表面上从热效果也被啮合，以便再现真正的机械负荷提交到目 标。 事实上， 在涂层 - 金属界面， 类型不匹配声阻抗效应的出现， 它允许增加（时 Zcoating = ρ coating Dcoating<Ztarget ） ，或减少 （ Zcoating> “ Ztarget ” ）的压力振幅。例如， 为 100μ m 的铝涂层，可以增加 25％的 校正 因素提交到钢的压力振幅 10-20 纳秒激光脉冲[6]。在我们的例子中，一 个 80 微米铝通过使用 4 个元件行列啮合涂层 （ 20 微米/元） 。 最后，我们用 模型的边界条件得出固体的底表面在 3 轴上的所有的计算步骤并没有位移。