残余应力激光调控技术研究

IMECH-IR > 先进制造工艺力学实验室

	残余应力激光调控技术研究
英文题名	Research on Residual Stress Regulation Technology by Laser Irradiation
	高欢
导师	李正阳
	2020-08-22
学位授予单位	中国科学院大学
学位授予地点	北京
学位类别	硕士
学位专业	工程力学
关键词	残余应力激光辐照温度场模拟铝合金
摘要	残余应力是材料制备和构件制造过程中面临的主要问题之一，它会严重影响服役金属零部件的机械强度、疲劳强度以及尺寸精度，在腐蚀介质中还会引起严重的应力腐蚀问题，带来潜在的安全隐患。因此，探索一种能够高效精准调控应力的方法具有十分重要的工程意义，针对现有应力消除技术的局限性，本文基于低功率密度激光辐照热效应，深入研究了激光应力调控技术，其原理是激光束照射材料表面，材料内部温度上升，材料屈服极限下降，当固有残余应力超出下降后的屈服极限时，残余应力就会发生局部释放。激光作为一种高度集中热源，可以根据指定位置和时间，以预定的量值准确的投射在材料表面，因此针对复杂构件局部应力集中问题，在已知应力分布前提下，即可通过激光对该应力集中区域进行局部精准调控，该技术不仅能够有效消减残余应力，而且可以确保材料的组织稳定性，具有适用范围广、节能高效、便捷易操作等优点。本文首先基于残余应力的形成机理，从理论上分析了激光应力调控的宏观塑性屈服机制：通过施加低功率密度热源到材料表面以加速材料塑性流动，处于残余弹性应力的材料发生塑性屈服，促使残余应力释放；在分析的基础上，结合材料屈服极限随温度升高而线性降低的趋势，给出了宏观塑性屈服调控机制所需要满足的基本条件。其次，本文建立了激光辐照材料温度场的计算模型，研究了激光辐照过程中光斑形状、激光功率对于温度场分布特性的影响，通过对比环形光斑和圆形光斑加载条件下铝板内的温度分布云图，证明在激光应力调控中选用环形光斑可以有效降低平面和厚度方向上的温度梯度；随后分析了不同激光功率作用下，2A12铝板的温度分布云图，结果表明激光功率只会影响板内温度幅值大小；基于温度分布特征参数，分析得到铝板在平面和厚度方向存在较小的温度梯度，因此温度梯度引起的热应力作用较小，从而验证了宏观塑性应变调控机制主要依赖于激光辐照作用下板内的温升效应；最后给出了板内峰值温度随激光功率的变化曲线，得到了激光应力调控的温度阈值条件。基于数值模拟结果，选取了合适的激光工艺参数进行激光应力调控实验。通过残余应力检测和材料微观组织分析，研究了激光功率密度变化对残余应力调控效果的影响，对比分析了激光处理前后材料微观组织的变化，结果表明：当选用102~103W/cm2 量级的较低功率密度激光进行残余应力调控处理时，可以有效消减铝板表面残余应力；在特定的工艺参数下激光辐照不会使材料内部微观组织发生相变；此外，根据 X 射线衍射技术测得的铝合金（311）晶面衍射峰的半高宽变化，分析了激光辐照前后材料位错密度以及微观应力的变化，研究发现由于激光辐照加速原子振动，材料位错密度降低，微观应力也有所下降。
语种	中文
文献类型	学位论文
条目标识符	http://dspace.imech.ac.cn/handle/311007/84948
专题	先进制造工艺力学实验室
推荐引用方式 GB/T 7714	高欢. 残余应力激光调控技术研究[D]. 北京. 中国科学院大学,2020.

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