楊恒基,楊文杰,張興權,張國濤,方進秀,裴善報

(1.特種重載機器人安徽省重點實驗室,安徽 馬鞍山 243032；2.安徽工業(yè)大學機械工程學院,安徽 馬鞍山 243032)

1 引 言

零件的失效大多始于表面,零件表面的加工質量關系到零件的耐磨性、疲勞強度、抗蝕性等,特別是零件表面微觀形貌、顯微硬度、殘余應力等對表面質量的影響尤為明顯[1-2]。為了保證零件的使用性能和延長其使用壽命,通常采用磨削、拋光等工藝減小其表面粗糙度,或通過熱處理、滾壓和機械噴丸等手段改善零件的應力狀態(tài)。激光沖擊強化是一種先進的表面改性技術,它是利用激光誘導的應力波改善零件表面性能,提高材料的強度、硬度、耐磨性等力學性能,延長材料的疲勞壽命[3]。

由于應力波強度的衰減與其在材料傳播的距離有關,零件厚度的不同、零件約束條件的不同,應力波與材料相互作用的效果也不同。近年來,國內外學者對激光沖擊強化技術開展了大量的研究。Mao等[4]研究發(fā)現(xiàn)激光沖擊可以引起織構弱化和晶粒細化效應,改善鎂合金薄板材的室溫拉伸成形性能。姜銀方等[5]使用激光沖擊強化處理不同典型結構,研究了各結構疲勞壽命的差異。昝垚旭等[6]研究了激光沖擊對Ti834合金圓片試樣顯微組織和性能的影響,研究發(fā)現(xiàn)增加激光的沖擊次數(shù),有助于提高材料的機械性能。以上研究對了解激光沖擊強化具有重要意義。在實際加工時,由于板材的形狀大小不一樣、厚度也有差別,在激光沖擊強化時,零件固定的方式也不相同,主要有兩種不同的邊界約束方式進行固定,一種為板材兩端夾持,另一種通過夾具將底部固定在剛性工作臺上。目前,已有的激光沖擊強化的文獻主要集中在激光參數(shù)對沖擊強化效果的影響[7-8],然而,約束條件對板材表面完整性的影響卻鮮有報道。

304不銹鋼是一種綜合性能良好的抗腐蝕材料,被廣泛用于制作薄壁的容器和管件[9]。本文以1 mm的304不銹鋼薄板為研究對象,研究了激光沖擊薄板時,約束條件對板材表面形貌、顯微硬度、微觀組織的影響,通過數(shù)值模擬和實驗研究了不同厚度板材的殘余應力分布情況,運用應力波理論解釋了約束條件對殘余應力場的影響機理,為薄板材料的激光沖擊強化提供參考。

2 實驗與數(shù)值模擬

2.1 實 驗

使用線切割對304不銹鋼板進行切割,隨后使用金相砂紙對試樣的切邊及表面依次進行打磨處理,酒精沖洗后冷風吹干,試樣厚度為1 mm,長寬尺寸為20 mm×20 mm。在試樣表面貼上厚度為100 μm的黑膠帶作為吸收層,采用流水作為約束層,水層厚度穩(wěn)定在1～2 mm。實驗開展過程如圖1所示,試樣兩側通過螺栓固定在墊板上。第一組墊板上設置有矩形槽,槽寬為16 mm,試樣處于兩端夾持、底部懸空狀態(tài),第二組試樣底部與墊板完全貼合。實驗時采用的激光能量為6 J,波長為1064 nm,光斑直徑為3 mm,激光器半峰全寬為15～20 ns。

使用Rtec型三維形貌儀分別測量沖擊后試樣的表面形貌,然后使用X-350A型X射線應力測定儀對兩種約束方式下板材光斑直徑方向的殘余應力進行測量,測試方法采用傾斜固定Ψ法,定峰方式為交相關法,Cr靶kα射線特征輻射,X光管高壓22 kV,電流6 mA,計數(shù)時間為1 s,準直管直徑為1 mm。用線切割截取兩組試樣縱截面,切割面與夾持端平行,切割位置貼近沖擊區(qū)域邊緣,避免切割時的熱影響,鑲嵌后打磨至沖擊區(qū)域截面進行拋光。采用HMV-2T型顯微維氏硬度計分別測量激光沖擊區(qū)域和未沖擊區(qū)域沿深度方向的顯微硬度,載荷200 g,加載時間為15 s,同一深度方向測量多次取平均值。通過光學顯微鏡觀察試樣截面的微觀組織,選用王水腐蝕,腐蝕時間10～15 s。

2.2 有限元模型

由于應力波作用的時間較短,難以用常規(guī)實驗方法進行檢測和觀察,采用有限元技術可以很好對應力波的傳播過程進行研究,因此借助ABAQUS開展仿真過程[10]。通過ABAQUS/Explicit模塊模擬應力波的傳播過程,然后導入ABAQUS/Standard模塊進行回彈分析得到穩(wěn)定的殘余應力場。模型厚度分別設置為0.5 mm、1 mm、2 mm和3 mm,長寬尺寸為20 mm×20 mm。分別設置模型的約束條件為兩側棱邊全約束和底部全約束。由于模型結果對網(wǎng)格密度非常敏感,較細的網(wǎng)格有助于獲得準確的結果,然而會增加計算的成本。因此,將激光沖擊區(qū)域附近表面單元設置為0.1 mm,其他區(qū)域為0.14 mm,厚度方向單元設置為0.1 mm。圖2為1 mm板材的三維有限元模型,模型中單元數(shù)目為256000,單元類型為C3D8R。

2.3 壓力加載

有限元模擬時,采用光斑直徑為3 mm,激光波長為1064 nm。根據(jù)R.Fabbro等[11]提出的峰值壓力估算公式:

(1)

(2)

式中,P代表峰值壓力;α為內能轉化熱能部分的系數(shù),通常取0.1～0.3[12];Z是約束層和基體材料的折合聲阻抗;Z1和Z2分別代表水和304不銹鋼的聲阻抗,其中水約束層的聲阻抗為0.165×106g/cm2·s,304不銹鋼的聲阻抗為4.6×106g/cm2·s[3]；I0為激光的功率密度,計算得峰值壓力約為3.4 GPa。

2.4 材料本構模型

采用Johnson-Cook(JC)模型作為材料的本構模型,由于吸收層的存在屏蔽了激光輻照產生的熱影響,同時采用流水作為約束層可以帶走大量的熱。因此,在采用JC模型時,可以忽略溫度參數(shù)的影響,其關系式可以簡化為:

(3)

表1 304不銹鋼JC模型參數(shù)[14]

3 實驗結果分析

3.1 表面形貌

激光沖擊后試樣表面形貌如圖3所示。從圖3(a)可以看到,激光沖擊后試樣表面產生了圓形凹坑。這是由于激光誘導產生的高壓沖擊波超過了材料的動態(tài)屈服極限,使材料表面發(fā)生了塑性變形。由于吸收層的保護作用,板材表面并未產生燒蝕現(xiàn)象,而黑膠帶吸收層上產生了圓形燒蝕痕。圖3(b)和圖3(c)分別為兩端夾持和底部全約束條件下,激光沖擊后試樣表面的三維形貌,由圖可知,邊界約束條件對薄板材激光沖擊后的三維形貌產生了較大影響。兩端夾持試樣表面凹坑深度約為38 μm,凹坑四周產生了翹曲變形,而底部全約束試樣凹坑深度約為14 μm,凹坑深度明顯減小,凹坑四周平整。這是由于不銹鋼的厚度薄,中間得不到支撐的板材剛度差,激光沖擊時,不僅受沖的區(qū)域表面發(fā)生塑性變形,而且沖擊區(qū)域四周的板材也發(fā)生了整體的微變形。而對于底面全約束的板材,底部有較好的剛度,板材難以發(fā)生整體變形,在激光沖擊波作用下,變形區(qū)域主要集中在沖擊區(qū)域。因此,對于變形量要求較小薄部件的激光沖擊強化,優(yōu)先選用底部有約束的加工方式,有助于減小板材的塑性變形,保證沖擊強化的質量。

3.2 顯微硬度

圖4為深度方向顯微硬度測定結果。從圖4中可以看出,材料激光沖擊后,在距離表面300 μm的范圍內,試樣深度方向顯微硬度提升較為明顯,從強化前的210 HV提升至235 HV,塑性變形區(qū)域主要集中在表層。這是因為激光誘導的應力波的強度隨著傳播距離的增加逐漸減小,距離加載的表面的距離越遠,應力波的強度就越弱,應力波與材料相互作用的程度就越弱,材料的硬度增加值不明顯。因此,隨著深度的增加,硬度值逐漸減小。同時,從圖4中還可以看出,兩種約束條件下,試樣深度方向顯微硬度的差別并不明顯,底部全約束試樣表層的顯微硬度略高于兩端夾持試樣。

圖4 深度方向顯微硬度分布

3.3 微觀組織

通過光學顯微鏡進一步觀察試樣截面的微觀組織。圖5(a)為304奧氏體不銹鋼的原始組織,圖5(b)為底部全約束試樣激光沖擊后的微觀組織,從圖中可以看到,激光沖擊后試樣表層的微觀組織發(fā)生了改變。將兩種約束方式下,試樣沖擊區(qū)域表層放大500倍進一步進行觀察,如圖5(c)和圖5(d)所示。從圖中可以看到,試樣表層產生了細小的孿晶,這是由于304不銹鋼的堆垛層錯能較低,激光沖擊作用下其變形方式以孿生為主[15],并且底部全約束試樣微觀組織的改變更加明顯。由此可知,激光沖擊后試樣表層發(fā)生了較大的塑性變形,產生了細小的孿晶,高密度的形變孿晶使材料的顯微硬度得到提升。

圖5 試樣截面微觀組織

4 模擬結果與討論

4.1 不同厚度板材表面殘余應力

通過X射線應力測定儀對1 mm試樣表面的殘余應力值進行測量,起始點為光斑中心,測量點間距為0.5 mm,將測量結果與ABAQUS模擬的結果進行對比,如圖6所示。模擬得到底部全約束試樣光斑中心處的應力值為-183.6 MPa,測量值為-208.6 MPa,測量值比模擬值偏大,這是由于板材表面存在初始壓應力。整體來看,測量結果分布在模擬的曲線兩側,模擬結果與測量結果較為一致,從而驗證了模型的有效性。

圖6 殘余應力模擬與測量結果

通過ABAQUS進一步分析,得到不同厚度板材沖擊區(qū)域表面的殘余應力分布曲線,如圖7所示。由圖7(a)可知,在兩端夾持條件下,0.5 mm板材表面產生了較大的殘余拉應力場,1 mm板材光斑中心處產生了殘余拉應力,表現(xiàn)出明顯的殘余應力洞現(xiàn)象。在底部全約束條件下,0.5 mm板材表面的殘余應力值產生了較大的波動,這是由于表面稀疏波的匯聚作用以及反射的應力波對殘余應力場產生了較大影響。

圖7 板材表面殘余應力分布曲線

對比兩種不同的約束方式,當板材厚度小于2 mm 時,底部全約束狀態(tài)下的殘余應力場效果明顯優(yōu)于兩端夾持狀態(tài)。由圖7(b)可知,隨著板材厚度的增加,兩種約束方式下板材表面的殘余應力場變化趨勢基本相同,這是由于板材厚度增加后,應力波的傳播距離增加,其能量不斷衰減,約束條件對板材表面殘余應力場的影響逐漸減弱。

4.2 約束條件對殘余應力場的影響

通過觀察兩種約束條件下不同時刻的應力波動態(tài)云圖,進一步研究約束條件對殘余應力場的影響機理。當板材兩端夾持時,其應力波傳播過程如圖8所示,圖中板材厚度為1 mm。由圖8可知,初始縱向應力波為壓縮波,應力波沿著厚度方向傳播,最大動態(tài)壓應力值隨著傳播距離的增加不斷減小。247 ns時,壓縮應力波到達板材背面后,被反射為相反性質的拉伸波,其最大拉應力為667.4 MPa。反射的應力波不斷向板材沖擊面?zhèn)鞑?繼續(xù)被反射為相反性質的應力波,應力波在靶材內部不斷重復上述過程,直至完全衰減。

(a)t=89 ns (b)t=188 ns

當板材底部全約束時,其應力波傳播過程如圖9所示。由圖9可知,在初始縱向應力波未抵達板材的背面前,兩種約束條件下,應力波的傳播狀態(tài)和應力值完全相同。247 ns時,最大壓應力值由兩端夾持狀態(tài)時的1128 MPa上升至3394 MPa。這是由于邊界約束條件改變后,反射波的性質發(fā)生了改變。應力波從介質A向介質B傳播時,兩種介質的聲阻抗共同決定了應力波在界面間反射時的振幅和振動方向,其質點速度滿足以下關系:

(4)

式中,UPR代表反射波的粒子速度;UPI代表入射波的粒子速度;ρ和D分別代表著材料密度和應力波波速[16]。當ρADA<ρBDB時,反射波與入射波符號相同,反之則符號相反。當板材底部全約束時,相當于其聲阻抗非常大,反射波方向與入射波的方向相同[17]。因此底部全約束時,第一次反射的應力波從兩端夾持時的拉伸波轉變?yōu)閴嚎s波。反射的壓縮波不斷向受沖擊表面?zhèn)鞑?482 ns時,從上表面反射的應力波為拉伸波,與兩端夾持時完全相反。由此可知,在不同的約束條件下應力波的反射情況明顯不同,在板材厚度較薄的情況下,反射波的強度較強,該影響不能忽略。

(a)t=89 ns (b)t=188 ns

5 結 論

以1 mm的304不銹鋼薄板為研究對象,研究了激光沖擊薄板時,約束條件對薄板表面完整性的影響,并進一步研究了不同厚度板材的殘余應力分布情況以及約束條件對殘余應力場的影響機理,得到以下結論:

(1)峰值壓力為3.4 GPa時,激光沖擊使試樣表面發(fā)生了塑性變形,底部全約束試樣表面凹坑深度約為14 μm,遠小于兩端夾持時的深度。

(2)兩種邊界約束條件下,試樣深度方向顯微硬度的區(qū)別并不明顯,激光沖擊使試樣表層均產生了細小的孿晶,高密度的形變孿晶使材料的顯微硬度得到提升。

(3)板材厚度小于2 mm時,兩端夾持條件下,沖擊區(qū)域表面容易產生殘余拉應力,底部全約束時板材表面的殘余應力場效果明顯優(yōu)于兩端夾持狀態(tài),隨著板材厚度的增加,約束條件的影響會逐漸減弱。

(4)兩種邊界約束條件下,應力波的反射情況明顯不同,應力波的性質發(fā)生了改變,反射的拉伸波或壓縮波影響了薄板表面的殘余應力場。