基于激光冲击的铝合金小孔构件单双面强化对比研究

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铝合金材料的密度低,重量轻,同时强度又很高,塑性较好,因此在航空制造业中被广泛使用。孔结构是飞机零部件上常见的应力集中位置,在使用过程中容易产生疲劳裂纹导致疲劳失效。近年来,航空事故频繁发生,飞机的安全性也得到了更多关注。因此,如何提高小孔构件的疲劳寿命,成为一个亟待解决的问题。  本文结合仿真模拟和试验分析,研究了激光单/双面冲击强化对铝合金小孔件应力分布的影响及疲劳特性,其主要内容如下:  (1)利用有限元软件ABAQUS研究了7050-T7451铝合金小孔构件在单面冲击强化时,各种工艺参数对材料残余应力分布的影响。研究结果认为,增加冲击层数、峰值压力以及载荷脉宽都可以有效的增大残余压应力层深度;冲击范围的不同对材料表面冲击区域的残余应力影响较大;工艺参数对小孔件残余应力的影响存在相互协同的关系,在进行工艺参数的选择时要兼顾考虑。  (2)在多种工艺参数条件下,对单面冲击和双面冲击强化进行了对比分析。研究表明,双面冲击强化后,无论工艺参数如何改变,孔壁路径上的应力峰基本上都出现在中间区域,而单面冲击强化后应力峰值总是偏移在某一侧,双面冲击后孔角处的残余压应力要高于单面冲击后的孔角残余压应力。单面冲击后,冲击面孔角处的残余压应力远大于未冲击面孔角的压应力,而双面冲击后两个表面孔角处的残余压应力差别较小。  (3)利用X射线衍射法测量未冲击强化、单面冲击强化和双面冲击强化的试样表面残余应力,单面冲击和双面冲击强化都可以大幅度提高材料的表面残余压应力,相比较而言,双面冲击后的表面残余压应力最大,这与仿真模拟结果有较好的一致性。  (4)对激光冲击强化后的双联试样开孔后进行疲劳拉伸试验,试验发现,双面冲击可以大幅度的提高试样的疲劳寿命,而单面冲击强化对试样寿命的提高很有限。  (5)宏观断口观察发现,对于未经过激光冲击强化的断口,疲劳源位于孔角处;经过单面冲击后,疲劳源由孔角转移到小孔内部,靠近未冲击面;双面冲击强化后,疲劳源由孔角转移到孔壁的中间区域。  (6)试验分析对比三种断口在距离疲劳源1mm、3mm以及稳定扩展区前缘的疲劳辉纹条纹宽度,激光冲击强化处理后疲劳辉纹宽度减小,双面冲击强化后的疲劳辉纹最窄。
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