小孔激光喷丸强化的实验研究

本章应用上述理论和模拟研究，确定了LY12CZ航空铝合金变形的最小功率密度，对材料为LY12CZ航空铝合金的小孔内壁进行了激光喷丸强化处理实验，对激光喷丸后生成的残余压应力大小进行了测量，从而确定残余压应力场分布规律与激光参数之间的关系；对激光喷丸强化前后的小孔构件进行疲劳寿命试验，对比激光喷丸前后试件的疲劳寿命，确定经过激光喷丸强化处理的构件疲劳增寿效益，并对激光喷丸强化后的孔壁表面质量和断口进行了分析，确定经过激光喷丸强化后的小孔内壁表面硬度有所提高，所形成的强化层的残余应力和位错胞状结构对裂纹的扩展起到了一定的抑制作用，从而提高了小孔的疲劳寿命。 5.1 试样的制备 5.1.1 试样材料

实验材料为LY12CZ航空铝合金，其化学成分和力学性能见表5.1和表5.2。

表5.1 LY12CZ铝合金的化学成分

成分 含量%

Mg 1.54

Si 0.26

Cu

4.61

Fe 0.29

Zn 0.1

Ni 0.024

Mn 0.58

Al 余量

表5.2 LY12CZ铝合金的力学性能

力学 性质

0.2 b



13%

E 70GPa



2780kg/m3



0.33

275MPa 415MPa

5.2.2 试样的制备

为了便于装夹和后续疲劳实验，选用单孔试样为研究对象，试样形状和尺寸如图5.1所示。

试样小孔内壁与反射锥表面经过酒精清洗，冷风吹干后，在反射锥表面均匀的涂一层黑漆作为吸收层，小孔内壁激光喷丸强化装置简图如图5.2所示，其中采用水作为约束层，黑漆作为涂层，通过反射锥与垫块之间的螺纹配合控制反射锥的位置，从而达到精确控制激光喷丸强化区域。

图5.1 试件的形状和尺寸

Black coatingWater curtainPlatenWork piecePadding block

Reflective cone 图 5.2 小孔内壁激光喷丸强化装置简图 5.2 确定最小功率密度

小孔激光喷丸强化是利用激光诱导的冲击波对孔壁进行冲击形成一定厚度的残余压应力层来实现的。但是只有当激光诱导的冲击波压力峰值大于材料的动态屈服极限时，靶材才会有相应的塑性变形，在材料表层形成残余压应力场。而冲击波的峰值压力与激光束的功率密度大小直接相关，所以激光器发出的功率密度必须大于某一临界值Imin，其诱导的冲击波冲击靶材后才会形成残余压应力场。相反，已知材料的动态屈服极限，就可以计算出使材料产生塑性变形的最小冲击波峰值压力，进而可得到所需的最小激光功率密度。由第三章知材料的动态屈服强度远高于其静态屈服强度，材料动态屈服强度与静态屈服强度的关系

[78-79]

：

H1s (5-1) 12已知LY12CZ航空铝合金的静态屈服强度s275MPa，根据上式，计算可得LY12CZ航空铝合金的动态屈服强度H541MPa。

由式（3-24）激光诱导的冲击波峰值压力估算公式得峰值压力与激光功率密度之间的关系：

P1Pp1.29I0 (5-2) 3计算可得导致LY12CZ航空铝合金材料产生塑性变形，形成残余压应力的最小激光功率密度大致为0.65GW/cm2

由式（3-3）知，激光单次激发所需要的最小能量与激光功率密度、激光脉

2EIr冲宽度以及激光光斑直径之间的关系为。在试验中激光脉冲宽度为023ns，光斑直径为8mm，根据形成残余压应力的最小功率密度可得LY12CZ航空铝合金靶材变形所需要的最低脉冲能量约为7.5J。 5.3 实验结果分析 5.3.1残余应力分布

由激光喷丸强化机理可知，小孔内壁在激光喷丸强化后，孔壁表层材料发生一定深度的塑性变形，形成厚度超过1mm的残余压应力层[64]，残余压应力会抑制裂纹的萌生和扩展，从而提高了小孔的疲劳寿命。但是激光喷丸强化后形成的残余压应力分布复杂多变，为了研究激光喷丸过程中各个参数对残余压应力场的影响，就要精确的测量喷丸强化后小孔孔周的残余应力大小与分布。

小孔内壁激光喷丸强化后产生的残余压应力的测量方法主要有X-射线衍射法、应力释放法、Raman光谱法、中子法、钻孔法、柔度法以及剥离电解抛光法等。其中工程中最常用的是X-射线衍射法,它属于一种非破坏性的测量手段，是根据材料晶面间距的变化测量应力，晶粒是由很多晶胞组成，材料受力产生应变，相应的晶粒中晶胞的晶面间距会发生变化。根据布拉格定理有[80-81]：

dctg (5-3)

d由上式可知，在弹性应变作用下，晶胞的晶面间距会发生变化，且这些变化必定会影响X射线衍射峰值的位移，如图5.3所示，根据这些位移量即可确定应力值：

2Ectg (5-4)

21180sin2 式（5-3）中，是晶面在无应力状态下的X射线衍射角，是材料在经过激光喷丸强化后晶面对X射线的衍射角，为材料表面法线与所选晶面法线的

夹角，如图5.3所示。

图5.3 衍射晶面与试样表面夹角时的衍射几何关系

用X-射线衍射法测定小孔的残余应力时，首先要利用作图法求出

2~sin2直线的斜率，所以为了减小测量误差，在试验中分别选取=0°，15°，

30°，45°，60°五个不同的方位进行测量，试验中应用的测量装置是江苏大学机械工程学院测试中心的新型X-350A残余应力测试仪。但是由于X-射线对试样传入能力有限，对高强度的航空铝合金而言一般不能超过60m，所以它只能探测小孔激光喷丸强化后孔壁表面应力，而小孔径向的应力分布只能用剥离电解抛光法测量，即逐层抛离，逐层测量残余应力，抛光电压为12V，电流为3A，在每次抛离材料后，测试残余应力前用饱和的NaCl为电解质，电解抛光表面，以消除抛离材料时人为因素对残余应力场的影响。 5.3.2 残余应力的测试结果

经过激光喷丸强化处理后的LY12CZ航空铝合金小孔试件如图5.4所示，由于受实验条件的限制，激光光斑直径难以精确控制在孔径范围内，所以小孔激光喷丸强化过程中，在对小孔内壁进行喷丸强化强化的同时一部分的激光束辐照在孔口周围，对孔口端面也进行了喷丸强化。由图可以看出，经过激光喷丸强化处理的小孔试件比未强化的表面更光滑，且试件的几何尺寸基本保持不变，这也说明了经过激光喷丸处理后的小孔试件不会产生明显的宏观变形。

图5.4 小孔内壁激光喷丸试件

在小孔激光喷丸强化的过程中，孔壁受冲击波的强烈作用后，形成了一定厚度的稳定残余应力场，它是提高小孔抗疲劳性能的主要原因之一。为了解激光喷丸后孔周残余应力场的分布，对航空铝合金LY12CZ激光喷丸件进行了残余应力的测试和分析，如图5.5所示为残余压应力测试结果，由实验测量知当激光功率密度为4.6GW/cm2时，激光喷丸强化处理后的LY12CZ航空铝合金小孔周围

产生的最大残余应力为341MPa的残余压应力，深度达到1mm以上，且随着离孔边距离的增加，残余应力呈下降的趋势。

-100Residual Stress/MPa-150-200-250-300-3500.00.20.40.60.81.01.2Distance from hole edge/mm图5.5 激光喷丸强化后小孔径向残余压应力分布

将实验结果与模拟结果进行对比分析，图5.6为激光冲击波峰值压力为2.75GPa时小孔径向残余应力的对比图，由图可以看出，激光喷丸强化后，小孔内壁表面产生较大的残余压应力，且获得了较深的径向残余压应力层。由图中分析可知，实验所得的残余应力值与第四章的有限元模拟结果基本一致。

-50Residual Stress/MPa-100-150-200-250-300-350-4000.0 Experimental result Simulation result0.20.40.60.81.01.21.4Distance from hole edge/mm图5.6小孔孔周残余应力的分布情况

5.3.3 激光喷丸处理后的硬度分析

试样经镶嵌、磨削、抛光和腐蚀后，利用HVS-1000型数字显微硬度计测量激光喷丸强化层显微硬度的变化，测量时选取沿孔边向里层无缺陷的完整部位，测试载荷为200g,保压时间为20s，测量结果如表5.3所示。

表5.3 显微硬度测量值

距孔边距(mm)

HV

0 137

0.2 141

0.4 134

0.6 119

0.8 103

1 91

1.2 87

1.4 72

1.6 71

将测量所得结果绘图，如图5.7所示为冲击波峰值压力为2.75GPa时小孔孔周显微硬度分布。由图可以看出，激光喷丸强化后的小孔内壁表面硬度显著提高，达到141HV，是基体硬度的2倍。但是随着径向距离的增加，硬度呈梯度递减，最后趋于基体硬度。硬度提高是因为经过激光喷丸后材料发生了相应的塑性变形，导致表面材料形成滑移和位错，激光能量越大，其诱导的冲击波的峰值压力越高，激光喷丸后材料的塑性变形越大，那么滑移和位错密度越高，相应的材料的硬度就越高，又应力波在材料中的传播过程中是呈指数函数衰减的，其峰值压力随着传播距离的增大而减小，材料的塑性变形也随之减小，滑移和位错密度降低使材料的硬度增加降低，当传播距离足够远时，应力波峰值压力衰减到小于材料的动态屈服极限时就不再对材料起强化作用。

150140Microhardness/HV130120110100908070600.00.20.40.60.81.01.21.41.61.8Distance from hole edge/mm图5.7 小孔径向的硬度分布

5.4 疲劳实验

由前面的理论和实验分析可知，小孔激光喷丸强化能在孔边引入有益的残余压应力场，同时使孔壁表层材料产生位错和孪晶，从而显著提高结构件的疲劳寿命。但是实际工程应用中，技术人员关注的往往是喷丸强化方式与未喷丸强化结构件相比到底能够提供多大的疲劳寿命增益。而小孔激光喷丸强化技术是首次将激光喷丸强化引入到小孔强化中去，为了确定其对小孔疲劳寿命的提高程度，本节分别对激光喷丸前后的带孔LY12CZ航空铝合金进行疲劳对比试验，并对实验结果进行疲劳统计分析。 5.4.1 疲劳实验条件

疲劳试验是在安徽工业大学机械工程学院的100KN/500Nm微机控制电液伺服拉扭疲劳试验机上进行，如图5.8所示，实验材料选取与小孔激光喷丸强化实验相同的LY12CZ航空铝合金，材料的性能如表5.1和5.2所示。为了便于比较，激光喷丸前后的疲劳试件均采用如图5.1所示几何尺寸，疲劳试验条件表5.4所示。

图5.8 PLN-100/500拉扭疲劳实验机 5.4 疲劳试验条件（应力比R=0.1）

试件材料 疲劳试 验设备

施加载荷

KN

频率 加载方式 试验温度 及环境

LY12CZ PLN-100/500 7 6HZ 轴向恒幅 正弦波加载

室温，空气中进行

5.5.2 疲劳试验结果分析

由于实验条件和时间的限制，本次实验中各取1个激光喷丸前后的试件进行疲劳寿命分析。图5.9所示为疲劳断裂后的小孔试样图，由图可以看出，小孔试件在7KN轴向恒幅载荷作用下，经过裂纹萌生、裂纹扩展和瞬断三个阶段后疲劳断裂。疲劳断裂与拉伸断裂不同，断裂后的试件无拉伸与缩颈现象，基本无明显的宏观变形。

图5.9 疲劳断裂后的小孔试件

图5.10为小孔试件在疲劳实验过程中的载荷位移图，图5.10（a）为未激光喷丸强化的小孔试件在经过46641次次循环载荷作用后的载荷位移分布图，由图可以看出经过46641次载荷作用后，小孔试件的绝对位移为0.15mm，最终未经激光喷丸强化的小孔试件在经过77720次循环载荷作用后疲劳失效；图5.10（b）为激光喷丸后的小孔试件在经过268842次循环载荷作用后即将疲劳断裂时的载荷位移分布图，由图可以看出，经过268842次载荷作用后，试件的绝对位移为0.24mm，最终激光喷丸强化后的小孔试件在经过275420次循环载荷的作用后疲劳断裂，与未激光喷丸件相比增加了197700次，其疲劳寿命是未激光喷丸件的3.5倍多。

（a） 未激光喷丸件

（b）激光喷丸件

图5.10 疲劳试验过程中载荷与位移图

由疲劳试验的结果分析可知，对于LY12CZ航空铝合金，激光喷丸强化对于小孔试件的疲劳寿命增益显著，约为未激光喷丸强化件的3.5倍，这与本文理论研究的结果基本相符，也与许多国内外学者所取得的研究成果保持一致。通过本章疲劳寿命试验的研究，更进一步的验证了前面所提出的理论，也更加明确了小孔激光喷丸强化的强大增寿效益以及它的应用前景。

5.4.3 疲劳断口分析

疲劳失效断裂是一种脆性断裂，一般的断口由疲劳裂纹源、疲劳裂纹扩展区和最后的瞬断区三个部分组成[82]。小孔试件在循环载荷作用下，断面形成了明暗相间的条带，也称为“海滩条带”，显示出了疲劳裂纹是不断扩展的，断口上的海滩条带一般可以用肉眼或者低倍放大镜直接观察。激光喷丸小孔试件在循环载荷作用下的疲劳源一般源于孔边与孔内壁表面的相交处以及激光喷丸强度较弱处，为多疲劳源，如图5.11所示，这主要是由于在激光喷丸强化后，在这些地方形成了新的应力集中，由图中还可以清楚的看出裂纹是以疲劳裂纹源为核心向外扩展的。晶粒内部的滑移是裂纹成核的重要过程，小孔试件承受循环载荷作用时，由于孔壁处于平面应力状态，特别容易在表层晶粒内产生滑移现象，如图5.12(a)所示，5.12(b)为(a)图的局部放大图，由图可以清楚的看到排列整齐的滑移线。

图 5.11 LY12CZ航空铝合金小孔试件的宏观断口

图 5.12 循环载荷作用下LY12CZ航空铝合金的滑移发展

图5.13为LY12CZ航空铝合金小孔试件的断口微观形貌，图中较白的粗糙部分为瞬断区，是裂纹扩展到足够尺寸后发生瞬间断裂形成的瞬断面；与瞬断区相连接的是裂纹扩展区，裂纹扩展区是断口中最重要的特征区域，其区域大小与材料的性质和所承受的载荷水平有关，疲劳扩展区域与疲劳瞬断区有明显的分界线，裂纹扩展区的断面较光滑、平整。

5.13 LY12CZ航空铝合金小孔试件的微观断口

（a） （b） 图5.14 LY12CZ航空铝合金疲劳断口二次裂纹扩展

图5.14(a)和(b)为图5.13中裂纹扩展区的局部放大图，由图知经过激光喷丸

强化的疲劳裂纹在扩展的过程中呈现出停滞和断裂的现象，并且裂纹的方向发生了改变，形成了二次裂纹扩展，二次扩展裂纹与原始扩展裂纹相比要细且伴随有局部的韧窝现象，如图5.15所示，这是由于经过激光喷丸强化后的孔壁形成的强化层中的残余压应力和位错结构抑制了裂纹的扩展，从而提高了构件的疲劳寿命。

图5.15 LY12CZ航空铝合金疲劳断口韧窝形貌

5.5 本章小结

本章在理论和模拟基础上，对小孔内壁激光喷丸进行了实验研究，采用X射线衍射法对激光喷丸强化处理形成的残余应力进行了测量。实验结果与模拟基本一致，表明激光喷丸强化处理产生的残余应力与激光脉冲参数、喷丸次数、约束层以及吸收层等因素有关，经过激光喷丸强化后的小孔内壁存在一定厚度的有益残余压应力层，可以提高小孔的疲劳强度。实验中还对激光喷丸强化后的小孔内壁表面硬度和显微组织进行了研究，结果表明，激光喷丸区域的表面粗糙度基本保持不变，但是表层材料的晶粒得到了细化，材料的显微硬度大幅度提高，强化层中的位错结构和残余压应力抑制裂纹扩展速率，从而使小孔的疲劳寿命得到了延长。

在小孔激光喷丸强化的试验基础上，对激光喷丸强化前后的小孔试件进行疲劳试验，并对强化后的疲劳断口进行了分析，结果表明，经过激光喷丸强化处理

的小孔试件疲劳增寿效果显著，其疲劳寿命是未激光喷丸小孔试件的3.5倍，且激光喷丸强化后的断口疲劳源一般源于孔边与孔内壁表面的相交处和激光喷丸强度较弱处，为多疲劳源，且在裂纹扩展区产生二次裂纹扩展和韧窝现象，这主要是经过激光喷丸强化后，在孔壁表层形成了一定厚度的强化层，强化层中的残余压应力和位错结构抑制了裂纹的扩展速率，从而提高了构件的疲劳寿命。