AZ31镁合金薄板激光冲击温成形实验及数值模拟

发布时间：2017-03-28 19:09

  本文关键词：AZ31镁合金薄板激光冲击温成形实验及数值模拟，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：镁在地球的储量丰富,镁合金具有密度小、比刚度和比强度高、散热性能好、易回收等优点,在航空航天及汽车等领域得到了广泛应用。但镁合金强度小、塑性加工困难等缺点限制了其发展及应用。因此,采用激光冲击成形(LSF)及激光冲击温成形(WLSF)技术改善镁合金的塑性变形能力及相关机械性能,对促进镁合金的推广及应用具有重要意义。本文以AZ31镁合金为研究对象,对其进行室温激光冲击成形和激光冲击温成形实验,从功率密度及加热温度两方面系统地分析了激光冲击板料变形区表面的残余应力大小及分布、表面形貌特征、微观组织变化及显微硬度等,最后利用ABAQUS有限元分析软件建立激光冲击温成形模型,对板料表面残余应力及板料变形进行有限元模拟,并与相关实验测试结果比较。本文主要研究工作及结论如下:(1)实验结果表明,AZ31镁合金薄板具有良好的高温高应变率激光冲击成形能力。LSF及WLSF后试样表面产生高幅值残余压应力,随着加热温度的增加,残余压应力分布趋向均匀。但是,高温容易使残余应力松弛,导致残余压应力降低。同时功率密度也对残余应力产生较大影响,较低功率密度下,150℃-WLSF后获得最大残余压应力值143MPa;功率密度较大时,WLSF试样最大残余压应力值小于LSF试样。因此,在实际应用中需要综合考虑加热温度及激光功率密度的影响。(2)成形后试样发生大塑性变形,使成形区的表面粗糙度高于靶材基体。和LSF相比,WLSF后试样具有更低的表面粗糙度。但温度过高(250℃~300℃)时,试样冲击区表面容易被烧蚀。(3)在激光冲击过程中,镁合金的微观组织发生明显改变。LSF及WLSF后晶内及晶界处形成高密度位错。较低温度下冲击时产生大量孪晶,随着温度的升高,镁合金动态再结晶变形机制逐渐启动,孪晶逐渐消失,生成再结晶晶粒。激光冲击温成形后晶粒明显细化,晶粒尺寸随温度升高先减小后增大。在100℃-WLSF后试样冲击区内观察到纳米晶现象。激光冲击能有效提高靶材冲击区硬度,WLSF后试样硬度大小分布更为均匀。(4)模拟结果表明,试样经WLSF后,整个光斑区均获得高幅值残余压应力。温度相同时,板料最大成形深度随功率密度增加而增大。功率密度相同时,成形温度的升高并不能明显增加板料的成形深度。200℃~300℃范围内激光冲击温成形时,板料减薄量急剧增加,容易导致破裂。(5)实验与模拟综合考虑,得出当实验温度为100℃或150℃,激光功率密度为1.28GW/cm2时,镁合金激光冲击温成形效果较好。
【关键词】：AZ31镁合金 激光冲击温成形 残余应力 微观组织 数值模拟
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG665;TG146.22
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-11
• 第一章 绪论11-21
• 1.1 研究背景11-12
• 1.2 变形镁合金概述12-14
• 1.2.1 变形镁合金的特性12
• 1.2.2 变形镁合金的应用12-13
• 1.2.3 变形镁合金温成形研究现状13-14
• 1.3 激光冲击成形技术14-16
• 1.3.1 激光冲击成形技术概述14-15
• 1.3.2 国内外发展现状15-16
• 1.3.3 激光冲击成形技术的应用前景16
• 1.4 激光冲击成形理论16-18
• 1.4.1 激光冲击物理模型16-17
• 1.4.2 激光诱导冲击波形成机理17
• 1.4.3 激光冲击波加载特征17-18
• 1.5 数值模拟技术18-20
• 1.5.1 有限元概述18
• 1.5.2 有限元技术的发展及应用现状18-19
• 1.5.3 激光冲击成形模拟技术的研究现状19-20
• 1.6 本论文的研究目的、意义及内容20-21
• 第二章 实验材料及测试方法21-26
• 2.1 实验材料21
• 2.1.1 靶材材料21
• 2.1.2 约束层与吸收层选择21
• 2.2 实验设备与技术路线21-23
• 2.2.1 实验设备21-22
• 2.2.2 实验技术路线22-23
• 2.3 测试仪器及方法23-26
• 2.3.1 残余应力测量23-24
• 2.3.2 表面形貌24
• 2.3.3 微观组织24-25
• 2.3.4 显微硬度25
• 2.3.5 拉伸实验25-26
• 第三章 AZ31镁合金激光冲击温成形的实验研究26-45
• 3.1 板料激光冲击温成形原理26
• 3.2 激光冲击温成形实验方案26-28
• 3.3 表面残余应力测试结果与分析28-31
• 3.4 表面形貌分析31-37
• 3.4.1 宏观形貌特征31-33
• 3.4.2 光斑中心形貌分析33-34
• 3.4.3 微区表面线粗糙度34-37
• 3.5 AZ31激光冲击温成形微观组织分析37-44
• 3.5.1 金相组织37-40
• 3.5.2 TEM结构40-42
• 3.5.3 显微硬度42-44
• 3.6 小结44-45
• 第四章 激光冲击温成形有限元模拟45-60
• 4.1 ABAQUS软件简介45
• 4.2 有限元模拟分析过程的关键问题45-48
• 4.2.1 有限元分析模块选择45
• 4.2.2 激光冲击温成形模拟模型的建立45-46
• 4.2.3 本构模型46-47
• 4.2.4 网格划分及边界条件47-48
• 4.2.5 压力载荷设置48
• 4.3 模拟结果与分析48-57
• 4.3.1 成形温度与残余应力的关系49-50
• 4.3.2 功率密度与残余应力的关系50-53
• 4.3.3 成形温度、功率密度与板料变形的关系53-57
• 4.4 最大残余压应力值模拟与实验值比较57-58
• 4.5 小结58-60
• 第五章 总结和展望60-62
• 5.1 结论60-61
• 5.2 展望61-62
• 参考文献62-68
• 致谢68-69
• 攻读学位期间发表的论文69

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