非晶合金激光噴丸力學性能與變形行為實驗研究及數(shù)值分析.pdf

1、非晶合金是目前最具吸引力的新材料之一，并且擁有優(yōu)異的綜合力學性能，在機械、電子、國防、航空航天等領域都有較廣泛的應用前景，然而塊體非晶合金在室溫下的塑性應變能力較差，在工業(yè)應用上受到極大地限制。因此如何改善塊體非晶合金的室溫塑性，已經(jīng)成為材料學領域的重要問題。隨著激光技術的快速發(fā)展，激光噴丸技術在多個領域得到了極為廣泛的應用，它在加工材料表面進行輻照，采用高功率密度、短脈沖激光產(chǎn)生高幅沖擊波壓力，使材料發(fā)生屈服和塑性變形，并在噴丸區(qū)域形

2、成殘余壓應力，來提高加工件的強度、耐磨性、耐腐蝕性和疲勞壽命等力學性能。
　　本課題利用激光噴丸技術處理Zr35Ti30Cu8.25Be26.75塊體非晶合金，促進生成多重剪切帶和深層壓應力，提高了非晶合金的室溫塑性。采用數(shù)值模擬結合實驗研究，系統(tǒng)分析了非晶合金激光噴丸后的力學性能與變形行為，揭示了關鍵工藝參數(shù)對噴丸效果的影響規(guī)律;分別研究了梁狀和柱狀非晶合金激光噴丸后的彎曲變形和壓縮變形行為，建立了宏觀室溫塑性與剪切帶以及殘余應

3、力分布的關系;利用斷面分析技術，研究了非晶合金激光噴丸后的塑性變形規(guī)律及其破壞特征，結合數(shù)值模擬，揭示了激光噴丸對非晶合金力學性能影響的內(nèi)在機制。本項研究為提高非晶合金室溫塑性提供了新途徑。
　　主要工作和結論如下:
　　(1)基于自由體積理論、Mohr-Coulomb屈服準則以及激光沖擊波時空加載曲線，建立了非晶合金激光噴丸的有限元模型，通過動力顯式分析和靜力隱式分析，對非晶合金激光噴丸后的變形行為進行了數(shù)值模擬，得到了激

4、光噴丸后非晶試樣的位移場、應力場和應變場，分析了宏觀變形、微觀變形以及殘余應力分布規(guī)律，研究了不同工藝參數(shù)對激光噴丸的影響。結果表明，非晶試樣經(jīng)過激光噴丸后，在噴丸區(qū)域形成拋物面形狀的微凹坑，同時試樣產(chǎn)生微小的宏觀變形，并在非晶試樣表面和內(nèi)部一定區(qū)域形成殘余壓應力分布。多點激光噴丸能夠?qū)崿F(xiàn)大面積的表面處理，當光斑搭接率由0％提高到50％，非晶試樣的噴丸表面趨向平整，降低了由激光噴丸所引起的試樣表面粗糙度，提高了深度方向上最大殘余壓應力值

5、，增大了殘余壓應力影響層深度。因此合理的工藝參數(shù)和噴丸方案是獲得最佳殘余應力分布的關鍵因素。
　　(2)建立了梁狀非晶合金激光噴丸及三點彎曲實驗系統(tǒng)，對梁狀非晶合金進行激光噴丸處理，并對激光噴丸前后試樣進行三點彎曲，利用SEM分析了彎曲斷口形貌。在此基礎上，對梁狀非晶合金激光噴丸以及其后的彎曲過程進行了數(shù)值模擬。結果表明，梁狀非晶合金經(jīng)過激光噴丸處理后，可以明顯改善其彎曲性能，雙面噴丸試樣的彎曲塑性撓度提高了16.8％，且隨著激光

6、噴丸區(qū)域增大，非晶試樣的彎曲塑性越好;通過彎曲斷口觀察，未噴丸試樣呈現(xiàn)出明顯的剪切斷裂特征，并最終沿著主剪切帶發(fā)生脆斷，而激光噴丸試樣在拉伸區(qū)生成多重剪切帶，使塑性變形分散進行。結合數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，激光噴丸在非晶試樣表面形成殘余壓應力，可以有效地減小彎曲拉伸區(qū)的應力集中，從而延緩主剪切帶的快速擴展，提高非晶合金的彎曲塑性。
　　(3)建立了柱狀非晶合金激光噴丸及單軸壓縮實驗系統(tǒng)，對柱狀非晶合金進行激光噴丸處理，并對激光噴丸前后試樣進

7、行單軸壓縮，利用SEM分析了壓縮正斷面和側(cè)斷面形貌。在此基礎上，對柱狀非晶合金激光噴丸以及其后的壓縮過程進行了數(shù)值模擬。結果表明，柱狀非晶合金經(jīng)過激光噴丸處理后，可以明顯改善其壓縮性能。激光噴丸試樣的壓縮塑性應變量可達1.48％，抗壓強度可達1820 MPa，相比未噴丸試樣均得到了提高，且隨著激光脈沖次數(shù)增加，非晶試樣的壓縮塑性越好。結合數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，激光噴丸可以誘導非晶試樣表面生成新的自由體積，為初始剪切帶和次生剪切帶的生成創(chuàng)造了有利