陳 彬

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42CrMo鋼激光沖擊誘導殘余應力的數值模擬

陳 彬

（安徽工業(yè)大學，安徽，馬鞍山 243032）

42CrMo鋼具有較高的強度和韌性，被廣泛應用于裝備制造行業(yè)。本文以42CrMo鋼為研究對象，在理論分析的基礎上，運用ABAQUS數值模擬的方法，探討了在相同激光能量(4J)和脈沖寬度(8ns)情況下，不同光斑直徑(1mm、2mm、3mm、4mm)對激光沖擊強化后殘余應力分布的影響。結果表明：光斑直徑越小，激光誘導沖擊波的峰值壓力越大，塑性強化層深度越深，表面的最大Von Mises應力值越大；光斑直徑過大或者激光誘導沖擊波的峰值壓力過大，均會影響殘余應力的分布；本文的數值模擬條件下，2mm直徑的光斑，激光沖擊效果最好，與理論分析結果一致。

激光沖擊強化；42CrMo；數值模擬；殘余應力

0 引言

42 CrMo鋼具有較高的強度和韌性，淬火處理時淬透性好、變形小，經調質處理后具有良好的疲勞性能和抗沖擊能力，被廣泛應用于裝備制造行業(yè)。隨著“中國制造2025”戰(zhàn)略的深入實施以及高鐵、風力發(fā)電、大飛機等先進技術裝備的迅速發(fā)展，對42 CrMo鋼的力學性能、使用壽命和加工工藝提出了更高要求。李小龍等[1]研究了42 CrMo鋼常規(guī)軋制工藝和控軋控冷工藝，分析了不同工藝參數對材料金相組織和硬度的影響，通過工藝參數的優(yōu)化，成功解決了直徑100 mm以下規(guī)格42 CrMo鋼熱軋態(tài)硬度超標的問題。秦芳誠等[2]以裝備制造領域中的42 CrMo鋼軸承環(huán)件為研究對象，開展了離心制造、熱輾擴成形及淬回火實驗，分析了材料的微觀組織及力學性能，并對淬回火過程中組織變化規(guī)律進行了研究，找到了適宜的回火溫度。李文政等[3]對42 CrMo鋼進行了滲氮處理，分析了不同工藝參數下材料的組織與力學性能，并對不同載荷下，材料的磨損機理進行了詳細研究。孟慶帥等[4]針對42 CrMo鋼點式移動感應淬火后，過渡區(qū)的殘余拉應力會降低材料力學性能的問題，提出了噴丸強化改善方法，并借助數值模擬進行了系統(tǒng)性研究，取得了良好的效果。

激光技術近些年快速發(fā)展，2018年的諾貝爾物理學獎也授予了從事激光技術研究的科學家。激光沖擊強化技術是激光技術的重要應用之一，它是面向金屬、陶瓷等材料進行表面改性的處理技術，它能使材料發(fā)生塑性變形并產生殘余壓應力，同時，材料的表面硬度提高、位錯增多、晶粒細化，最終提高材料的力學性能和使用壽命。國內外學者對激光沖擊強化技術進行了深入研究，鄧仲華等[5]針對圓形光斑沖擊存在的應力空洞、激光利用率低等問題，采用方形光斑對金屬表面進行激光沖擊強化處理，并使用25 J和30 J脈沖能量的激光分別沖擊20 CrMnTi鋼，研究發(fā)現，合適的激光功率密度可以提高材料的耐腐蝕性，過大的功率密度反而會加快表面腐蝕速率，并對該現象產生的原因進行了深入剖析。蔣蘇州等[6]以激光沖擊金屬表面殘余應力形成機制為切入點，提出了基于激光沖擊誘導金屬動態(tài)響應模型構建沖擊工藝參數和殘余應力分布關系，從而對殘余應力進行定量調控，同時對該工藝在航空航天等領域的應用進行了展望。段海峰等[7]對H62黃銅進行了單層和三層激光沖擊強化實驗，發(fā)現激光沖擊后晶粒細化，出現了納米結構層，試樣磨損系數和磨損率變小，同時研究還表明，H62黃銅的顯微硬度和表面粗糙度隨沖擊層數的增加而增加，磨損系數和磨損率則隨之變小。Yadav M J等[8]從理論角度出發(fā)，探討了激光參數、約束層和吸收層材料厚度等各種輸入參數對殘余應力和厚度的影響，并就此討論了激光沖擊強化技術的應用和挑戰(zhàn)。Siddaiah A等[9]研究了激光強度對1045鋼表面形貌和摩擦學性能的影響。

目前，光斑直徑對殘余應力分布的影響和激光沖擊強化42 CrMo鋼后的殘余應力分布研究均較少。本文在保持激光能量和脈沖寬度一定的情況下，先從理論維度探討光斑直徑對激光誘導沖擊波的影響，并結合殘余應力的彈塑性模型進行分析；然后運用數值模擬的方法，對不同光斑直徑沖擊后的殘余應力分布進行仿真，并與理論分析結果進行對比，研究表明：在本文的激光沖擊條件下，2 mm直徑的光斑沖擊效果最好。

1 理論分析

1.1 光斑直徑對激光誘導沖擊波壓力的影響

本文以42 CrMo鋼作為激光沖擊的靶材，其材料屬性見表1。吸收層選用鋁箔，約束層選用水，激光能量為4 J，脈沖寬度8 ns。

表1 42CrMo鋼的材料屬性

Table 1 Material properties of 42CrMo steel

本文取光斑直徑為1、2、3和4 mm進行研究，代入公式(4)，得到對應激光誘導沖擊波的峰值壓力見表2，對應的沖擊波壓力時程曲線如圖1所示。

表2 不同光斑直徑下激光誘導沖擊波的峰值壓力

Table 2 Peak pressure of shock wave induced by laser at different spot diameter

1.2 殘余應力的彈塑性模型

當沖擊波的峰值壓力大于沖擊波傳播方向上的最高彈性應力（HEL）時，金屬會發(fā)生塑性變形；當峰值壓力小于HEL時，金屬就停止發(fā)送塑性變形。Johnson和Rhodes[11]推導出的最高彈性應力公式：

2 數值模擬

2.1 有限元模型

采用ABAQUS模擬激光沖擊強化誘導的殘余應力場，模擬計算由顯式動態(tài)分析步和隱式靜態(tài)分析步組成，其中顯式動態(tài)分析求解時間設定為10000 ns，隱式靜態(tài)分析步求解時間為1s。

圖2 模型示意圖

圖3 有限元模型(光斑直徑：2mm)

2.2 材料本構模型

由于Johnson-Cook(JC)模型充分考慮了金屬材料的加工硬化、高應變率和溫度軟化效應，且激光沖擊強化主要利用沖擊波的力學效應而非熱效應，因此本文采用簡化的JC模型[14]，其主要的參數如表3所示。

表3 42 CrMo鋼的JC模型參數[15]

Table 3 JC model parameters of 42CrMo steel

2.3 數值模擬結果與分析

利用有限元軟件ABAQUS進行數值模擬后得到如圖4所示的表面Von Mises應力分布圖。由圖4可以看出，激光能量和脈沖寬度不變的情況下，采用1、2、3和4 mm的光斑直徑沖擊后，在表面形成了一個扇形分布的Von Mises應力場，最大Von Mises應力分別為1059.0、886.2、439.5和161.6 MPa，最大Von Mises應力值隨著光斑直徑的增大而減小，主要原因是光斑直徑越大，激光誘導產生的沖擊波壓力越小，導致激光沖擊后產生的Von Mises應力值變小。從圖4中還可以看出光斑直徑為2 mm和3 mm時，Von Mises應力場分布較為均勻；直徑為4 mm時，沖擊產生的Von Mises應力值過??；直徑為1 mm時，最大Von Mises應力出現在光斑邊緣的部分位置，Von Mises應力場分布不均勻，產生該現象的原因是光斑直徑過小，激光誘導產生的沖擊波壓力過大，表面釋放波聚集并從沖擊區(qū)邊緣放大，與理論分析結果一致。

圖4 不同光斑直徑下沖擊后表面的Von Mises應力分布圖 (a)1mm; (b)2mm; (c)3mm; (d)4mm

在激光能量為4 J，脈沖寬度8 ns不變的情況下，比較光斑直徑對42 CrMo鋼試樣殘余應力分布的影響。圖5表示不同光斑直徑下沿試樣表面方向的殘余應力分布。光斑直徑為3 mm和4 mm時，激光誘導沖擊波的峰值壓力分別為2.83 GPa和2.13 GPa，表面殘余應力最大值均出現在光斑中心位置，分別為-409.4 MPa和-104.9 MPa。光斑直徑為4 mm時，由于沖擊區(qū)域距離試樣邊界較近，激光誘導應力波橫向傳播到試樣邊界時，衰減較少，反射后轉化為拉應力波[16]，且強度較高，形成的殘余拉應力場抵消了之前形成的殘余壓應力場，導致表面殘余應力值大大減少，文獻[17]對該現象進行了詳細分析與闡釋。當光斑直徑為2 mm時，激光誘導沖擊波的峰值壓力為4.25 GPa，最大殘余應力分別為-843 MPa，殘余應力分布較為均勻，激光沖擊強化后均出現了殘余應力空洞[18]。當光斑直徑為1 mm時，激光誘導沖擊波的峰值壓力為8.50 GPa，最大殘余應力為-602 MPa，光斑中心位置出現了殘余拉應力，殘余應力空洞更為嚴重，主要原因是激光誘導沖擊波的強度高，沖擊波傳播至邊界位置反射回來沖擊波強度也較高，并且沖擊波的峰值壓力遠遠高于材料的最高彈性應力，表面釋放波聚集并從沖擊區(qū)邊緣放大，兩者共同作用影響了試樣表面的殘余壓應力場，使殘余壓應力值減小，分布不均勻。

圖6表示不同光斑直徑下沿試樣深度方向的殘余應力分布。光斑直徑為1、2、3和4 mm時，塑性強化層深度分別為0.7、0.45、0.4和0.25 mm，同等激光能量情況下，光斑直徑越小，激光誘導沖擊波的峰值壓力越大，激光沖擊強化后的塑性強化層深度越深，當光斑直徑為1 mm時，由于激光誘導沖擊波的峰值壓力值遠遠大于最高彈性應力，在表面產生了較高殘余拉應力。殘余應力的數值模擬結果與理論分析結果較為一致。

圖5 殘余應力沿表面方向分布圖

圖6 殘余應力沿深度方向分布圖

3 結論

1) 在同等激光能量和脈沖寬度情況下，光斑直徑越小，激光誘導沖擊波的峰值壓力越大，激光沖擊強化后的塑性強化層深度越深，表面的最大Von Mises應力值越大；

2) 隨著激光誘導沖擊波的峰值壓力的增加，會產生殘余應力空洞現象，表面殘余壓應力最大值位置發(fā)生偏移，且激光誘導沖擊波的峰值壓力越大，現象越明顯；

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NUMERICAL SIMULATION OF RESIDUAL STRESS OF 42CrMo STEEL INDUCED BY LASER SHOCK PEENING

CHEN Bin

（Anhui University of Technology, Ma’anshan,Anhui 243032, China）

42CrMo steel is widely used in equipment manufacturing industry because of its high strength and toughness. In this paper, 42CrMo steel is researched. Based on the theoretical analysis, the effects of different spot diameters (1mm, 2mm, 3mm, 4mm) on the residual stress distribution after laser shock peening at the same laser energy (4J) and pulse width (8ns) are investigated by ABAQUS numerical simulation method. The results show that: the smaller the spot diameter is, the greater the peak pressure of laser induced shock wave is, the deeper the plastic strengthening layer is, and the larger the maximum Von Mises stress on the surface is. Residual stress distribution can be affected by the excessive spot diameter or the large peak pressure of laser induced shock wave. Under the numerical simulation condition of this paper, the laser shock effect of 2 mm diameter spot is the best, which is consistent with the theoretical analysis results.

laser shock peening; 42CrMo; numerical simulation; residual stress

TG147

A

10.3969/j.issn.1674-8085.2018.06.013

2018-09-24；

2018-10-16

安徽工業(yè)大學校青年教師科研基金項目(QZ201518)

陳 彬(1990-)，男，安徽安慶人，實驗師，主要從事先進制造技術方向研究(E-mail:chenbinahut@163.com).

1674-8085(2018)06-0072-05