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激光喷丸镁合金疲劳行为的数值分析与实验研究

作　者: 蒋素琴
导　师: 周建忠
学　校: 江苏大学
专　业: 机械制造及其自动化
关键词: 镁合金 激光喷丸强化 残余压应力场强度 疲劳寿命 参数优化
分类号: TN249
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要


激光喷丸强化是利用高能脉冲激光束诱导的高压冲击波对零件表面进行材料改性的技术,其强化机理类似于常规强化技术,强化程度则主要取决于残余应力场的状况。本文采用模拟与实验相结合方法,对镁合金激光喷丸强化表面改性进行了探讨,主要研究工作如下:分析了激光喷丸强化的残余应力产生机理,利用内部疲劳极限理论解释了激光喷丸强化中的残余应力对材料疲劳性能的影响机制。在此基础上提出了用残余压应力场强度(S)作为评定残余压应力场对疲劳性能影响程度的指标。以ABAQUS和MSC.Fatigue软件为平台,建立了激光喷丸强化镁合金的疲劳寿命预测模型。采用Box-Behnken试验设计,对镁合金中心缺口疲劳试样激光喷丸前后的疲劳寿命进行了分析。模拟结果表明,随着激光工艺参数水平的变化,疲劳寿命与残余压应力场强度值的变化趋势基本一致,但是当参数水平过高时,喷丸区域边缘的拉应力场位置出现疲劳源。利用SAS软件的响应面分析法分析了激光工艺参数(激光冲击波峰值压力、光斑直径和喷丸次数)对残余压应力场强度、变形深度及疲劳寿命的影响水平,建立了激光工艺参数与疲劳寿命的二次回归模型,并对模型的合理性进行了检验,优化出面向抗疲劳制造的激光工艺参数最优组合。统计分析结果表明,残余应力强度的增大有利于疲劳寿命的提高,但表面变形深度增大到一定程度时会降低疲劳寿命。对试样强化前后的残余压应力、表面形貌及粗糙度、显微硬度及显微组织进行了检测与比较,初步开展了激光喷丸强化镁合金的疲劳试验,对疲劳试样进行了疲劳全寿命测试,并对疲劳断口宏观形貌和微观特征进行了分析。结果表明,适当的激光工艺参数有利于镁合金疲劳寿命的提高。

全文目录


摘要  5-6
ABSTRACT  6-9
第一章 绪论  9-20
  1.1 课题研究背景  9-14
    1.1.1 镁合金性能及应用  9-11
    1.1.2 镁合金的疲劳性能及其研究现状  11-14
  1.2 激光喷丸强化技术概况  14-18
    1.2.1 激光喷丸强化基本原理及技术特点  14-16
    1.2.2 激光喷丸强化应用于抗疲劳制造的研究  16-18
    1.2.3 激光喷丸强化镁合金的研究意义  18
  1.3 本课题主要研究内容及方法  18-20
第二章 激光喷丸强化改善材料疲劳性能的理论分析  20-29
  2.1 激光喷丸强化中的残余应力及其产生机理  20-23
  2.2 激光喷丸强化处理对疲劳性能的影响机理  23-24
    2.2.1 应力强化机理  23
    2.2.2 组织强化机理  23-24
    2.2.3 弱化机理  24
  2.3 残余压应力场影响材料疲劳极限理论及其表征  24-28
    2.3.1 残余压应力场影响材料疲劳极限理论  25-27
    2.3.2 残余压应力场的表征  27-28
  2.4 本章小结  28-29
第三章 激光喷丸强化镁合金疲劳寿命的有限元分析  29-56
  3.1 激光喷丸强化疲劳寿命有限元分析的基本思路  29-30
  3.2 激光喷丸强化疲劳件残余应力场有限元模拟  30-41
    3.2.1 ABAQUS软件介绍  30-31
    3.2.2 模拟中关键问题的处理  31-35
    3.2.3 有限元模拟过程  35-36
    3.2.4 残余应力分析  36-41
  3.3 疲劳全寿命试验仿真及寿命预测  41-50
    3.3.1 基于有限元的疲劳仿真  41
    3.3.2 MSC.Fatigue疲劳有限元软件介绍  41-43
    3.3.3 基于S-N曲线的激光喷丸强化疲劳全寿命分析  43-46
    3.3.4 疲劳寿命预测结果分析  46-50
  3.4 基于SAS的激光喷丸强化效果统计分析  50-55
    3.4.1 SAS软件基本介绍  50
    3.4.2 响应面回归分析  50-55
  3.5 本章小结  55-56
第四章 激光喷丸强化变形镁合金的实验研究  56-73
  4.1 镁合金激光喷丸强化实验  56-59
    4.1.1 实验装置及仪器  56-57
    4.1.2 试样准备及实验方法  57-59
  4.2 激光喷丸强化效果的检测  59-67
    4.2.1 残余应力检测与分析  59-62
    4.2.2 表面形貌及粗糙度检测  62-64
    4.2.3 表面硬度检测  64-65
    4.2.4 显微组织分析  65-67
  4.3 激光喷丸变形镁合金疲劳全寿命试验  67-72
    4.3.1 试验设备  67
    4.3.2 试件的准备及实验方法  67-68
    4.3.3 试验结果与分析讨论  68-72
  4.4 本章小结  72-73
第五章 总结与展望  73-75
  5.1 总结  73-74
  5.2 展望  74-75
参考文献  75-79
致谢  79-80
攻读硕士学位期间发表的论文  80-81

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中图分类: > 工业技术 > 无线电电子学、电信技术 > 光电子技术、激光技术 > 激光技术、微波激射技术 > 激光的应用
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