激光喷丸强化技术——在航空合金中的应用

目录
序
前言
第1章 绪论 1
1.1 引言 1
1.2 激光喷丸强化抗常温疲劳性能研究现状 3
1.2.1 激光喷丸强化技术的工程应用 4
1.2.2 激光喷丸强化延寿机理研究 8
1.2.3 工艺参数对激光喷丸后疲劳特性的影响 9
1.2.4 激光喷丸疲劳裂纹扩展特性的数值模拟 15
1.3 激光喷丸强化抗高温疲劳性能研究现状 17
1.3.1 激光喷丸诱导残余压应力的高温松弛 17
1.3.2 激光喷丸诱导的微观组织高温演变 19
1.3.3 激光喷丸抗高温疲劳性能研究存在的问题 20
1.4 激光温喷丸强化和深冷激光喷丸强化技术 21
1.4.1 激光温喷丸强化技术 21
1.4.2 深冷激光喷丸强化技术 23
1.5 研究意义和主要内容 24
1.5.1 研究意义 24
1.5.2 研究内容 25
参考文献 27
第2章 激光喷丸强化抗疲劳裂纹扩展延寿理论 36
2.1 疲劳裂纹扩展特性研究概况 36
2.2 线弹性断裂力学中的基本概念 37
2.2.1 裂纹尖端弹性应力场和位移场 38
2.2.2 应力强度因子 40
2.2.3 裂纹扩展能量释放率 41
2.2.4 能量释放率与应力强度因子关系 42
2.3 疲劳裂纹扩展规律 43
2.3.1 疲劳裂纹扩展速率的断裂力学描述 43
2.3.2 疲劳裂纹扩展的微观机理 44
2.4 激光喷丸对疲劳裂纹扩展特性的影响 46
2.4.1 激光喷丸对应力强度因子的影响 46
2.4.2 激光喷丸对疲劳裂纹扩展阈值的影响 46
2.5 激光喷丸前后的疲劳裂纹扩展寿命估算 47
2.5.1 外加载荷诱导的应力强度因子K1 47
2.5.2 激光喷丸后残余压应力诱导的应力强度因子K2 48
2.5.3 未喷丸CT试样的疲劳裂纹扩展寿命估算 50
2.5.4 激光喷丸后CT试样的疲劳裂纹扩展寿命估算 50
2.6 裂纹张开位移准则 51
2.6.1 裂纹张开位移方法概述 52
2.6.2 裂纹张开位移试验设计 53
2.7 激光喷丸后的疲劳断口定量分析方法 55
2.7.1 断口定量反推疲劳应力主要方法 56
2.7.2 断口定量分析疲劳寿命的主要方法 57
2.7.3 疲劳条带的测量方法 58
2.8 本章小结 59
参考文献 60
第3章 激光喷丸强化6061-T6铝合金试样表面完整性研究 63
3.1 试验材料及方法 63
3.2 纳米硬度和弹性模量分析 66
3.2.1 纳米压痕测试设备及方法 66
3.2.2 表面不同区域的纳米压痕分析 67
3.2.3 深度方向的纳米压痕分析 70
3.2.4 不同喷丸次数下的纳米压痕分析 70
3.2.5 不同激光能量下的纳米压痕分析 71
3.3 表面形貌和粗糙度分析 72
3.3.1 表面形貌及粗糙度测试设备及方法 72
3.3.2 单点激光喷丸后的表面形貌 73
3.3.3 单点激光喷丸后的表面粗糙度 74
3.3.4 多点搭接激光喷丸后的表面形貌 76
3.4 残余应力分析 79
3.4.1 残余应力测试设备及方法 79
3.4.2 单面及双面激光喷丸强化后的残余应力分布 80
3.4.3 不同喷丸次数下沿深度方向的残余应力 81
3.4.4 CT试样激光喷丸诱导的残余应力的分布 82
3.5 微观组织分析 85
3.5.1 微观组织性能测试设备及方法 85
3.5.2 单点激光喷丸后的微观组织 86
3.5.3 多点搭接激光喷丸后的微观组织 88
3.5.4 激光喷丸后微观组织的演变机制及强化机理 90
3.6 本章小结 91
参考文献 92
第4章 激光喷丸强化6061-T6铝合金的疲劳裂纹扩展试验 95
4.1 单联中心孔试样的疲劳拉伸试验 95
4.1.1 试验方法及测量设备 95
4.1.2 激光喷丸次数对疲劳寿命的影响 96
4.1.3 激光喷丸轨迹对疲劳寿命的影响 98
4.1.4 激光能量对疲劳寿命的影响 99
4.2 含预制裂纹CT试样的疲劳裂纹扩展试验 101
4.2.1 试验方法及测量设备 101
4.2.2 不同激光能量下的疲劳裂纹扩展特性 103
4.2.3 不同喷丸轨迹下的疲劳裂纹扩展特性 106
4.3 CT 试样裂尖张开位移和裂纹张开位移分析 110
4.4 疲劳裂纹扩展试验结果与理论计算的对比 115
4.5 本章小结 117
参考文献 118
第5章 激光喷丸强化6061-T6铝合金的疲劳断口形貌分析 120
5.1 单联中心孔试样的疲劳断口形貌 120
5.1.1 疲劳断裂各区的断口特征 120
5.1.2 激光喷丸次数对疲劳裂纹萌生和扩展性能的增益机理 124
5.2 CT试样疲劳断口的形貌特征分析 127
5.2.1 不同激光能量下疲劳断口的宏观和微观形貌特征 127
5.2.2 不同激光喷丸轨迹下疲劳断口的宏观和微观形貌特征 140
5.3 疲劳断口的定量分析 142
5.3.1 宏观裂纹扩展速率与微观裂纹扩展速率 142
5.3.2 断口定量反推疲劳应力 145
5.3.3 断口定量反推疲劳寿命 147
5.4 疲劳断口的三维形貌及粗糙度 148
5.5 本章小结 151
参考文献 152
第6章 激光喷丸强化6061-T6铝合金疲劳裂纹扩展的数值模拟 154
6.1 激光喷丸强化残余应力的数值模拟方法 154
6.1.1 ABAQUS软件的功能模块 154
6.1.2 残余应力模拟中关键问题的处理 155
6.2 单联中心孔试样疲劳特性的数值模拟 159
6.2.1 不同激光能量作用下的残余应力 160
6.2.2 不同喷丸路径下的残余应力 162
6.2.3 激光喷丸后疲劳特性的有限元分析 162
6.3 CT 试样疲劳裂纹扩展特性的数值模拟 166
6.3.1 不同激光能量下的疲劳裂纹扩展特性 167
6.3.2 不同喷丸路径下的疲劳裂纹扩展特性 171
6.4 本章小结 174
参考文献 175
第7章 激光喷丸强化IN718镍基合金高温疲劳延寿理论 177
7.1 IN718镍基合金研究现状及存在问题 177
7.1.1 IN718镍基合金高温疲劳性能研究现状及不足 178
7.1.2 IN718镍基合金抗疲劳制造工艺研究 182
7.2 IN718镍基合金的高温疲劳失效理论 184
7.2.1 高温疲劳损伤机理 184
7.2.2 高温疲劳断裂过程 185
7.3 激光喷丸抗高温疲劳的应力强化机制 188
7.3.1 激光喷丸诱导的表层残余压应力形成过程 188
7.3.2 激光喷丸诱导的残余压应力疲劳增益机制 188
7.4 激光喷丸抗高温疲劳的组织强化机制 190
7.4.1 激光喷丸试样抗高温疲劳细晶强化 190
7.4.2 激光喷丸试样抗高温疲劳位错强化 192
7.4.3 激光喷丸试样抗高温疲劳动态析出强化 194
7.5 激光喷丸强化的高温疲劳寿命估算 196
7.5.1 高温疲劳载荷下残余压应力计算 196
7.5.2 高温疲劳裂纹萌生寿命估算 200
7.5.3 高温疲劳裂纹扩展寿命估算 201
7.5.4 高温疲劳全寿命估算 203
7.6 激光喷丸强化材料的高温氧化行为 203
7.6.1 激光喷丸强化对高温氧化动力学的影响 204
7.6.2 高温环境下应力与氧化行为的耦合模型 204
7.6.3 高温氧化环境下的疲劳裂纹扩展模型 205
7.7 本章小结 208
参考文献 209
第8章 激光喷丸强化IN718镍基合金表面完整性及高温残余应力松弛 214
8.1 试验材料及试样尺寸 214
8.2 激光喷丸强化试验系统 215
8.2.1 激光器及控制系统 215
8.2.2 激光喷丸试验方案 216
8.3 显微硬度测试 218
8.3.1 显微硬度测试设备及方法 218
8.3.2 显微硬度分析 219
8.4 表面形貌测试 222
8.4.1 表面形貌测试设备及方法 222
8.4.2 不同激光功率密度下的表面形貌分析 222
8.5 残余应力测试 224
8.5.1 残余应力测试设备及方法 224
8.5.2 不同激光功率密度下的表面残余应力分布 224
8.5.3 不同激光功率密度下深度方向残余应力分布 225
8.5.4 残余压应力的高温松弛规律 226
8.5.5 残余压应力的高温松弛模型 229
8.6 本章小结 230
参考文献 230
第9章 激光喷丸强化IN718镍基合金的高温疲劳性能 232
9.1 高温疲劳试验与方法 232
9.1.1 试验设备 232
9.1.2 试样装夹方法 232
9.1.3 疲劳试验参数 233
9.2 激光喷丸强化后的高温疲劳寿命 234
9.2.1 激光功率密度对疲劳寿命的影响 234
9.2.2 服役温度对疲劳寿命的影响 236
9.3 高温疲劳断裂不同阶段的断口特征 237
9.3.1 激光功率密度对疲劳断口的影响 237
9.3.2 服役温度对疲劳断口的影响 248
9.4 高温疲劳微观开裂机制 258
9.5 本章小结 259
参考文献 260
第10章 激光喷丸强化IN718镍基合金的高温氧化及疲劳性能增益微观机制 262
10.1 激光喷丸试样热暴露及高温疲劳拉伸后的显微组织演变 262
10.1.1 激光喷丸IN718镍基合金试样热暴露前后的显微组织 262
10.1.2 IN718镍基合金高温疲劳拉伸后的显微组织 266
10.2 激光喷丸试样高温疲劳拉伸前后的微观结构特征 267
10.2.1 激光喷丸前后的位错组态分析 267
10.2.2 不同激光功率密度下高温疲劳试样的微观结构 269
10.2.3 不同服役温度下高温疲劳试样的微结构特征 275
10.3 激光喷丸与高温氧化交互作用对高温疲劳的影响 281
10.3.1 镍基合金高温氧化过程分析 281
10.3.2 镍基合金高温氧化动力学分析 282
10.3.3 激光喷丸诱导的微观组织演变与高温氧化的交互作用 283
10.3.4 高温氧化膜形成对高温疲劳性能的影响 284
10.4 本章小结 287
参考文献 288