一种激光冲击金属材料塑性变形规律的分析方法

申请号 CN202310021195.7 申请日 2023-01-07 公开(公告)号 CN116046568A 公开(公告)日 2023-05-02
申请人 中国航空制造技术研究院; 发明人 吴俊峰; 邹世坤; 车志刚; 曹子文; 孙汝剑;
摘要 本 发明 涉及一种激光冲击金属材料塑性 变形 规律的分析方法,包括:在未塑性变形的金属材料的表面及背面上标记第一显微压痕;测量相邻的两个第一显微压痕的第一压痕间距;对金属材料的表面进行搭接激光冲击;分别测量塑性变形后的金属材料的表面及背面上相邻的两个第二显微压痕、两个第三显微压痕之间的第二压痕间距、第三压痕间距及其对应的弧度;依据第一压痕间距及第二压痕间距、第三压痕间距,获得金属材料表面及背面的延伸率和塑性应变。该激光冲击金属材料塑性变形规律的分析方法的目的是解决如何有效测试分析激光冲击金属材料的延伸率、 应变层 深度和应变率的问题。
权利要求

1.一种激光冲击金属材料塑性变形规律的分析方法,其特征在于,该方法包括以下步骤:
步骤1、在未塑性变形的金属材料的表面及背面上标记第一显微压痕;
步骤2、测量相邻的两个所述第一显微压痕的第一压痕间距;
步骤3、对金属材料的表面进行搭接激光冲击塑性变形;
步骤4、分别测量塑性变形后的金属材料的表面及背面上相邻的两个第二显微压痕、两个第三显微压痕之间的第二压痕间距、第三压痕间距及其对应的弧度;
步骤5、依据所述第一压痕间距及所述第二压痕间距、所述第三压痕间距,获得金属材料表面及背面的延伸率和塑性应变。
2.根据权利要求1所述的激光冲击金属材料塑性变形规律的分析方法,其特征在于,所述在未塑性变形的金属材料的表面及背面上标记第一显微压痕,具体为:
对所述金属材料进行线切割加工、打磨、抛光,并采用标记方法在未成形的金属材料表面及背面上分别标记所述第一显微压痕。
3.根据权利要求1所述的激光冲击金属材料塑性变形规律的分析方法,其特征在于,所述测量相邻的两个所述第一显微压痕的第一压痕间距,具体为:
采用表面形貌仪测量未塑性变形的金属材料的表面及背面上的相邻的两个所述第一显微压痕之间的第一压痕间距。
4.根据权利要求1所述的激光冲击金属材料塑性变形规律的分析方法,其特征在于,所述对金属材料的表面进行搭接激光冲击,具体为:
采用高能激光束对所述金属材料的表面进行搭接激光冲击。
5.根据权利要求1所述的激光冲击金属材料塑性变形规律的分析方法,其特征在于,所述测量塑性变形后的金属材料的表面及背面上相邻的两个第二显微压痕、两个第三显微压痕之间的第二压痕间距、第三压痕间距及其对应的弧度,具体为:
采用表面形貌仪分别测量成形中厚金属材料的表面和背面的第一显微压痕之间的压痕轮廓长度和压痕轮廓夹
6.根据权利要求1所述的激光冲击金属材料塑性变形规律的分析方法,其特征在于,步骤5之后,还包括:
步骤6、将应变影响层从塑性变形后的金属材料内部取出,测量表面及背面上对应的相邻的两个第四显微压痕、第五显微压痕之间的第四压痕间距、第五压痕间距;
步骤7、依据所述第一显微压痕与所述第四压痕间距及第五压痕间距,获得对应的第一名义应变、第二名义应变;
步骤8、依据所述第二显微压痕与所述第四压痕间距及所述第三显微压痕与第五压痕间距,获得对应的第一实际应变、第二实际应变;
步骤9、依据步骤6~8,测量分析不同厚度金属材料的名义应变与实际应变之间的关系,建立激光工艺参数与名义应变及实际应变的工艺数据库
步骤10、依据所述工艺数据库,预测激光冲击金属材料塑性变形形状。
7.根据权利要求6所述的激光冲击金属材料塑性变形规律的分析方法,其特征在于,所述测量分析不同厚度金属材料的名义应变与实际应变之间的关系,建立激光工艺参数与名义应变及实际应变的工艺数据库,具体为:
建立不同厚度金属材料下激光功率密度与名义应变和实际应变间关系式,形成所述工艺数据库;
其中,所述关系式为:I=hε;式中,I为激光功率密度,h为金属材料厚度,ε为名义应变或实际应变。
8.根据权利要求7所述的激光冲击金属材料塑性变形规律的分析方法,其特征在于,所述依据所述工艺数据库,预测激光冲击金属材料塑性变形形状,具体为:
依据所述工艺数据库,针对不同厚度金属材料和不同激光功率密度,预测激光冲击金属材料塑性变形。

说明书全文

一种激光冲击金属材料塑性变形规律的分析方法

技术领域

[0001] 本发明涉及材料塑性变形技术领域,具体涉及一种激光冲击金属材料塑性变形规律的分析方法。

背景技术

[0002] 激光冲击强化(Laser shock peening,也叫激光喷丸强化)是一种利用强激光束辐射靶材表面诱导等离子体产生爆炸后形成的激光冲击波学效应,对金属材料表层进行晶粒细化和残余压应力,改善其抗疲劳、腐蚀和微动磨损,调控冲击轨迹可实现精密校形和塑性变形的新技术。
[0003] 激光冲击强化工艺具备以下优势:(1)工艺装备简单,无需成形模具;(2)脉冲参数和作用区域精确控制和具有可重复性;(3)成形板料的加工柔性大;(4)高质量表面的中厚板成形;(5)改善板料机械性能等优点,因此被广泛应用于航空航天和军事领域,成为关键零部件抗疲劳、校形和塑性变形的一种新工艺。
[0004] 激光冲击强化机翼壁板塑性变形和发动机叶片疲劳延寿和校形,即要气动外形又要尺寸装配,因此有两个关键技术点:(1)零件获得满足要求的曲面形状;(2)控制零件延伸率。关键点1与应变层深度和延伸率相关,曲率半径越小,延伸率越大,塑性变形越好。关键点2与延伸率相关,如何保证获得合适的延伸率是激光冲击强化金属材料塑性变形的关键问题之一。
[0005] 专利【一种激光冲击强化合金塑性变形深度的建模和判别方法,申请号:201610785814.X】对激光冲击合金表面形成的塑性变形深度进行计算和推导,获得激光冲击金属合金塑性变形深度的解析表达式,从而得到激光冲击强化合金过程中的动态屈服强度、冲击波峰值压力、粘度系数、弹性模量与塑性变形深度之间的关系。B.S.Yilbas等人采用数值模拟预测激光冲击合金塑性变形的深度,并用试验进行了简单的验证【Laser shock processing of aluminium:model and experimental study.Journal of Physics D:Applied Physics,2007,40:6740】。P.Peyre等人获得了激光冲击铝合金的塑性变形深度和残余应力数值的计算公式,但是没有考虑到激光冲击在铝合金表面形成材料表面压缩【Laser shock processing of aluminum alloys:Application to high cycle fatigue behaviour.Materials Science and EngineeringA,1996,210:102】。然而,无法测试金属材料的延伸率、应变层深度和应变率。
[0006] 因此,发明人提供了一种激光冲击金属材料塑性变形规律的分析方法。

发明内容

[0007] (1)要解决的技术问题
[0008] 本发明实施例提供了一种激光冲击金属材料塑性变形规律的分析方法,解决了如何有效测试分析激光冲击金属材料的延伸率、应变层深度和应变率的技术问题。
[0009] (2)技术方案
[0010] 本发明提供了一种激光冲击金属材料塑性变形规律的分析方法,包括以下步骤:
[0011] 步骤1、在未塑性变形的金属材料的表面及背面上标记第一显微压痕;
[0012] 步骤2、测量相邻的两个所述第一显微压痕的第一压痕间距;
[0013] 步骤3、对金属材料的表面进行搭接激光冲击;
[0014] 步骤4、分别测量塑性变形后的金属材料的表面及背面上相邻的两个第二显微压痕、两个第三显微压痕之间的第二压痕间距、第三压痕间距及其对应的弧度;
[0015] 步骤5、依据所述第一压痕间距及所述第二压痕间距、所述第三压痕间距,获得金属材料表面及背面的延伸率和塑性应变。
[0016] 进一步地,所述在未塑性变形的金属材料的表面及背面上标记第一显微压痕,具体为:
[0017] 对所述金属材料进行线切割加工、打磨、抛光,并采用标记方法在未塑性变形的金属材料表面及背面上分别标记所述第一显微压痕。
[0018] 进一步地,所述测量相邻的两个所述第一显微压痕的第一压痕间距,具体为:
[0019] 采用表面形貌仪测量未塑性变形的金属材料的表面及背面上的相邻的两个所述第一显微压痕之间的第一压痕间距。
[0020] 进一步地,所述对金属材料的表面进行搭接激光冲击,具体为:
[0021] 采用高能激光束对所述金属材料的表面进行搭接激光冲击。
[0022] 进一步地,所述测量塑性变形后的金属材料的表面及背面上相邻的两个第二显微压痕、两个第三显微压痕之间的第二压痕间距、第三压痕间距及其对应的弧度,具体为:
[0023] 采用表面形貌仪分别测量成形中厚金属材料的表面和背面的第一显微压痕之间的压痕轮廓长度和压痕轮廓夹
[0024] 进一步地,步骤5之后,还包括:
[0025] 步骤6、将应变影响层从塑性变形后的金属材料内部取出,测量表面及背面上对应的相邻的两个第四显微压痕、第五显微压痕之间的第四压痕间距、第五压痕间距;
[0026] 步骤7、依据所述第一显微压痕与所述第四压痕间距及第五压痕间距,获得对应的第一名义应变、第二名义应变;
[0027] 步骤8、依据所述第二显微压痕与所述第四压痕间距及所述第三显微压痕与第五压痕间距,获得对应的第一实际应变、第二实际应变;
[0028] 步骤9、依据步骤6~8,测量分析不同厚度金属材料的名义应变与实际应变之间的关系,建立激光工艺参数与名义应变及实际应变的工艺数据库
[0029] 步骤10、依据所述工艺数据库,预测激光冲击金属材料塑性变形形状。
[0030] 进一步地,所述测量分析不同厚度金属材料的名义应变与实际应变之间的关系,建立激光工艺参数与名义应变及实际应变的工艺数据库,具体为:
[0031] 建立不同厚度金属材料下激光功率密度与名义应变和实际应变间关系式,形成所述工艺数据库;
[0032] 其中,所述关系式为:I=hε;式中,I为激光功率密度,h为金属材料厚度,ε为名义应变或实际应变。
[0033] 进一步地,所述依据所述工艺数据库,预测激光冲击金属材料塑性变形形状,具体为:
[0034] 依据所述工艺数据库,针对不同厚度金属材料和不同激光功率密度,预测激光冲击金属材料塑性变形。
[0035] (3)有益效果
[0036] 综上,本发明通过标记方法的标记尺寸小、不影响表面测量且易定位,测量和分析方法具有操作简单和快速等优点。该分析方法除了测试深度方向塑性变形规律外,还较好地测试金属材料的长度方向延伸率,预测金属材料宏观塑性变形规律,为塑性成形工程应用奠定理论基础附图说明
[0037] 为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案,下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0038] 图1是本发明实施例提供的一种激光冲击金属材料塑性变形规律的分析方法的流程示意图;
[0039] 图2(a)~(c)是本发明实施例提供的一种激光冲击金属材料延伸率测试示意图;
[0040] 图3(a)~(b)是本发明实施例提供的一种激光冲击金属材料应变测试示意图;
[0041] 图4(a)~(b)是本发明实施例提供的一种激光冲击R区试样的弯曲变形机理图;
[0042] 图5是本发明实施例提供的一种基体材料90度R区试样背面点1~点3间距的示意图;
[0043] 图6是本发明实施例提供的一种单次激光冲击90度R区试样背面点1~点3间距的示意图;
[0044] 图7是本发明实施例提供的一种四次激光冲击90度R区试样背面点1~点3间距的示意图。
[0045] 图中:
[0046] 1‑未成形中厚金属材料;2‑激光冲击区;3‑第一显微压痕;4‑第一压痕间距;5‑成形中厚金属材料的压痕轮廓长度;6‑激光束;7‑成形中厚金属材料;8‑压痕轮廓夹角;9‑形变区域;10‑第一应变层;11‑成形薄金属材料的压痕轮廓长度;12‑第二应变层;13‑成形薄金属材料。

具体实施方式

[0047] 下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例的详细描述和附图用于示例性地说明本发明的原理,但不能用来限制本发明的范围,即本发明不限于所描述的实施例,在不脱离本发明的精神的前提下覆盖了零件、部件和连接方式的任何修改、替换和改进。
[0048] 需要说明的是,在不冲突的情况下,本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参照附图并结合实施例来详细说明本申请。
[0049] 在本发明的描述中,需要理解的是,术语“上”、“下”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,或者是本发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系,或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。
[0050] 图1是本发明实施例提供的一种激光冲击金属材料塑性变形规律的分析方法的流程示意图,该方法可以包括以下步骤:
[0051] S101、在未塑性变形的金属材料的表面及背面上标记第一显微压痕;
[0052] S102、测量相邻的两个第一显微压痕的第一压痕间距;
[0053] S103、对金属材料的表面进行搭接激光冲击;
[0054] S104、分别测量塑性变形后的金属材料的表面及背面上相邻的两个第二显微压痕、两个第三显微压痕之间的第二压痕间距、第三压痕间距及其对应的弧度;
[0055] S105、依据第一压痕间距及第二压痕间距、第三压痕间距,获得金属材料的延伸率和塑性应变。
[0056] 在上述实施方式中,如图2(a)~2(c)所示,对比分析激光冲击成形前后的金属材料表面及背面的第一压痕间距L与第二压痕间距L1之差,获得金属材料的延伸率对比测量不同区域的压痕间距,获得不同区域的延伸率和对应的夹角α1。
[0057] 该分析方法是通过对金属材料强化区域进行标记,测量对比强化前后标记尺寸及形貌,获得金属材料塑性变形的延伸率和塑性应变;该标记方法的标记尺寸小、不影响表面测量且易定位,测量和分析方法具有操作简单和快速等优点。
[0058] 作为一种可选的实施方式,步骤S101中,在未塑性变形的金属材料的表面及背面上标记第一显微压痕,具体为:对金属材料进行线切割加工、打磨、抛光,并采用标记方法在未塑性变形的金属材料表面及背面上分别标记第一显微压痕。
[0059] 具体地,线切割加工、打磨、抛光金属材料1,采用显微硬度仪在未成形中厚金属材料1表面和背面分别标记第一显微压痕3。
[0060] 作为一种可选的实施方式,步骤S102中,测量相邻的两个第一显微压痕的第一压痕间距,具体为:采用表面形貌仪测量未塑性变形的金属材料的表面及背面上的相邻的两个第一显微压痕之间的第一压痕间距。
[0061] 具体地,如图2(a)~2(c)所示,采用表面形貌仪测试未塑性变形中厚金属材料1的表面和背面相邻的第一显微压痕3之间的第一压痕间距4为L。其中,未塑性变形中厚金属材料1的表面和背面相邻的两个显微压痕之间的间距是相同的,成形后中厚金属材料的表面和背面相邻的两个显微压痕之间的间距则是完全不同的。
[0062] 作为一种可选的实施方式,步骤S103中,对金属材料的表面进行搭接激光冲击,具体为:采用高能激光束对金属材料的表面进行搭接激光冲击。
[0063] 具体地,如图2(a)~2(c)所示,采用工业应用激光工艺参数的激光束6,对未成形中厚金属材料1的表面进行搭接激光冲击区2的塑性变形处理。
[0064] 作为一种可选的实施方式,步骤S104中,所述分别测量塑性变形后的金属材料的表面及背面上相邻的两个第二显微压痕、两个第三显微压痕之间的第二压痕间距、第三压痕间距及其对应的弧度,具体为:
[0065] 采用表面形貌仪分别测量成形中厚金属材料7表面和背面的第一显微压痕3之间的压痕轮廓长度L1(即表面及背面上相邻的两个第一显微压痕之间对应的第二压痕间距、第三压痕间距,由于金属材料的表面及背面发生的塑性形变是不同的,因而第二压痕间距与第三压痕间距是不同的)和压痕轮廓8夹角α1(即相邻的两个第一显微压痕形成的弧线对应的圆心角,当然表面及背面的夹角是不同的)。
[0066] 作为一种可选的实施方式,在步骤S105之后,还包括步骤:
[0067] S106、将应变影响层从塑性变形后的金属材料内部取出,测量表面及背面上对应的相邻的两个第四显微压痕、两个第五显微压痕之间的第三压痕间距、第四压痕间距;
[0068] S107、依据第一显微压痕与第四压痕间距及第五压痕间距,获得对应的第一名义应变、第二名义应变;
[0069] S108、依据第二显微压痕与第四压痕间距及第三显微压痕与第五压痕间距,获得对应的第一实际应变、第二实际应变;
[0070] S109、依据步骤S106~S108,测量分析不同厚度金属材料的名义应变与实际应变之间的关系,建立激光功率密度与名义应变及实际应变的工艺数据库;
[0071] S110、依据工艺数据库,预测激光冲击金属材料塑性变形形状。
[0072] 在上述实施方式中,将第一应变层10或第二应变层12从中厚金属材料7或薄金属材料13内部取出形变区域9,测量对应的压痕间距分别为L2和L4,并分别与中厚金属材料7或薄金属材料13的原始状态(即未成形前的状态)表面的第一压痕间距L作对比,获得第一名义应变 和第二名义应变
[0073] 如图3(a)及3(b)所示,与中厚金属材料7或薄金属材料13表面压痕3的第一显微间距4作对比,获得实际应变 和
[0074] 通过以上的步骤S106~S110中的相关后续处理,其是根据成形工艺参数与金属材料塑性变形规律之间的工艺数据库,预测激光冲击金属材料的成形性能。
[0075] 作为一种可选的实施方式,测量分析不同厚度金属材料的名义应变与实际应变之间的关系,建立激光工艺参数与名义应变及实际应变的工艺数据库,具体为:
[0076] 建立不同厚度金属材料下激光功率密度与名义应变和实际应变间关系式,形成工艺数据库;
[0077] 其中,关系式为:I=hε;式中,I为激光功率密度,h为金属材料厚度,ε为名义应变或实际应变。
[0078] 作为一种可选的实施方式,依据工艺数据库,预测激光冲击金属材料塑性变形形状,具体为:
[0079] 依据工艺数据库,针对不同厚度金属材料和不同激光功率密度,预测激光冲击金属材料塑性变形。
[0080] 实施例1
[0081] 本实施例中,激光冲击工艺参数为激光能量30J,光斑直径3mm,脉宽15ns,搭接率为50%,一次激光冲击,强化区域为R区。靶材为7050铝合金R区试样,7050铝合金弹性模量为74GPa,动态屈服强度为462MPa,R区夹角为90度,R区半径为6mm。采用慢走丝线切割加工90度R区试样,并进行试样表面打磨和抛光。在基体材料试样背面做好标记,研究激光冲击R区试样前后,试样背面的弯曲变形。图4(a)、图4(b)为激光冲击R区试样弯曲变形机理图,激光冲击R区试样表层材料向平行于R区方向延伸,由于冲击区域都在试样形心上面,因此R区试样产生正弯曲变形,从而诱导R区试样背面产生挤压塑性变形,从而使激光冲击R区试样背面标记间距缩小。
[0082] 由图5~图7可知,激光冲击7050铝合金R区试样产生正弯曲变形且背面产生挤压塑性变形,塑性变形量见表1。由表1可知,与基体材料相比,单次激光冲击试样边缘长度、强化区域宽度、R区厚度、背面点1和点2间距以及背面点2和点3间距分别增加0.2%、0.7%、‑0.5%、‑2.2%和‑0.7%。四次激光冲击试样边缘长度、强化区域宽度、R区厚度、背面点1和点2间距以及背面点2和点3间距分别增加0.6%、2.3%、‑1.8%、‑2.6%和‑1.2%。研究结果表明试样标记可有效检测试样的塑性变形量,因此,试样标记方法为有效的一种分析测试方法。
[0083] 表1激光冲击90度R区试样的弯曲变形量
[0084]
[0085]
[0086] 需要明确的是,本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述,各个实施例之间相同或相似的部分互相参见即可,每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。本发明并不局限于上文所描述并在图中示出的特定步骤和结构。并且,为了简明起见,这里省略对已知方法技术的详细描述。
[0087] 以上仅为本申请的实施例而已,并不限制于本申请。在不脱离本发明的范围的情况下对于本领域技术人员来说,本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本申请的权利要求范围内。
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