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激光喷丸强化(Laser Shock Peening,LSP)技术能有效延长关键结构件的疲劳寿命、降低裂纹扩展速率,其在航空航天、汽车、国防等领域有着广泛的应用。本文从理论基础、数值模拟和实验分析等方面出发,研究了激光喷丸强化前后6061-T6铝合金CT试样的疲劳裂纹扩展特性变化。主要研究工作有以下几点:
(1)讨论了影响疲劳裂纹扩展特性的因素,分析了不同应力比R、不同加载频率f和不同激光喷丸路径等对疲劳裂纹扩展的影响。研究了LSP诱导的残余压应力场对材料疲劳裂纹扩展特性的影响规律,探讨了裂纹尖端张开口位移(Crack-Tip Opening Displacement,CTOD)准则下疲劳裂纹扩展理论,进一步验证了用CTOD准则表征疲劳裂纹扩展特性的可行性。
(2)以6061-T6铝合金CT试样为研究对象,采用ABAQUS和MSC.Fatigue软件,数值模拟了不同应力比、加载频率和激光喷丸路径下,LSP对CT试样疲劳裂纹扩展特性的影响。结果表明:应力比的变化对激光喷丸强化效果的影响比较显著,且应力比R越低,裂纹扩展闭合效应越显著,激光喷丸强化延寿的效果也越明显;激光喷丸路径的不同对激光喷丸强化延寿效果也有较大的影响,其中裂纹扩展驱动力方向上的残余应力越大,延寿效果越明显:而加载频率的变化对激光喷丸强化效果几乎没有影响。
(3)对CT试样进行LSP实验,其中激光能量为5J,搭接率50%,脉冲宽度10ns,激光喷丸区域分别为15×15mm2(LSP-1),34.5×15mm2(LSP-2),和15×60mm2(LSP-3)。利用X射线衍射仪测量了LSP处理前后CT试样裂纹扩展路径上的残余应力分布;在MTS809疲劳试验机上进行LSP前后CT试样的疲劳裂纹扩展实验,对三种不同喷丸方案后的裂纹长度和疲劳寿命曲线,应力强度因子幅度和裂纹扩展速率曲线进行了分析;将疲劳裂纹扩展特性的实验结果与模拟结果进行对比,表明两者具有较好的一致性,为合理预测激光喷丸工艺的疲劳延寿效果提供了有效的方法。
(4)运用CTOD准则表征LSP前后铝合金CT试样疲劳裂纹扩展速率的变化,拟合出LSP前后CTOD与da/dN之间的公式,结果显示拟合的相关系数较高,表明可以利用CTOD准则表征激光喷丸前后的疲劳裂纹扩展特性。采用扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscope,SEM)对CT试样疲劳断口特征进行分析,从微观性能方面进一步验证了激光喷丸强化工艺的延寿特性。