激光沖擊處理對6082-T651鋁合金高周疲勞裂紋擴展速率和斷裂韌性的影響外文文獻翻譯、中英文翻譯

激光沖擊處理對6082-T651鋁合金高周疲勞裂紋擴展速率和斷裂韌性的影響外文文獻翻譯、中英文翻譯,激光,沖擊,處理,對于,t651,鋁合金,疲勞,裂紋,擴展,擴大,速率,以及,斷裂韌性,影響,外文,文獻,翻譯,中英文 外文題目 Effects of laser shock processing on high cycle fatigue crack growth rate and fracture toughness of aluminium alloy 6082-T651 譯文題目 激光沖擊處理對6082-T651鋁合金高周疲勞裂紋擴展速率和斷裂韌性的影響 外文出處 International Journal Of Fatigue 激光沖擊處理對6082-T651鋁合金高周疲勞裂紋擴展速率和斷裂韌性的影響 摘要： 研究無保護涂層的激光沖擊加工對高周疲勞裂紋擴展和斷裂韌性的影響。 激光沖擊強化處理是在垂直于裂紋生長方向的兩側(cè)對緊湊拉伸試樣進行，然后進行后續(xù)研磨。 疲勞裂紋擴展試驗在116和146 Hz之間的頻率下進行，在R = 0.1和疲勞裂紋萌生階段和K減少期間的恒定應力強度范圍內(nèi)進行。疲勞預裂紋需要的循環(huán)次數(shù)較少，并且LSP處理的試樣中的疲勞裂紋擴展更快。LSP處理后，裂紋增長值下降了60％。LSP處理后斷裂韌性下降28％-33％。斷裂表面的疲勞延展性過渡邊界顯示未處理樣品中的線性疲勞裂紋前沿和LSP處理后的曲線。 2016 Elsevier Ltd.保留所有權利。 1介紹 激光沖擊處理（LSP）是一種相對較新的表面處理技術，可延長動態(tài)加載元件的使用壽命。幾項研究已經(jīng)證明LSP通過壓力沖擊波引起的材料局部塑性變形產(chǎn)生大振幅壓應力來降低疲勞裂紋擴展速率。 由于疲勞裂紋通常從表面開始，所以在外部載荷下，鎖定的壓縮應力將疊加在所施加的應力上，導致裂紋開端處的應力強度因子更小并且可能的裂紋閉合導致有效驅(qū)動力的降低。 由于位錯和顯微組織的晶粒細化，LSP也可以提高疲勞強度和疲勞裂紋萌生壽命。 Huang等人證實了由于在Al-Mg-Si合金的LSP處理表面中高度纏結(jié)。致密的位錯排列而降低的FCG速率。在另一項研究Lu等人報道了LSP后Al-Cu-Mg合金顯微組織細化。 結(jié)果證實，LSP是獲得高密度位錯以提高耐疲勞性的有前途的方法，而多次LSP沖擊后頂面中的最小晶粒尺寸大約是100-200納米。此外，與傳統(tǒng)的噴丸硬化相比，激光加工產(chǎn)生的殘余應力可以顯著更高，并且材料中更深的有效穿透。 Huang等人報道了不同工藝設置下LSP對6061 T6鋁合金疲勞裂紋擴展性能的有益影響。他們的結(jié)果表明FCG率隨著激光能量的增加而降低和LSP覆蓋區(qū)域特別是在疲勞裂紋擴展初期。然而，隨著裂紋擴展，殘余應力釋放，疲勞裂紋擴展的最后階段的強化效應較弱。在另一項研究中，Hatamleh 等比較了攪拌摩擦焊接的Al-Zn合金（7075-T7351）接頭中FCG的激光和噴丸強化效果，報告與LSP處理試樣的基材相比，F(xiàn)CG率降低，而噴丸硬化顯示可忽略不計的改善的FCG速率。然而，盡管使用保護涂層的LSP工藝已經(jīng)被證明是用于改善各種金屬和合金的疲勞壽命，耐腐蝕性，硬度和耐磨性。但是存在一些限制這一過程廣泛應用的負面因素。關于最后一次，即2015年辛辛那提第5屆激光噴丸及相關現(xiàn)象國際會議的公開討論[10] 指出在工業(yè)現(xiàn)場應用中需要新的策略?；旧?，激光沖擊處理實現(xiàn)可觀的位錯合并和壓縮殘余應力的產(chǎn)生是兩種主要方法： （i）第一種方式，使用高能量激光脈沖，與保護涂層結(jié)合的脈沖持續(xù)時間長達100 ns。 （ii）第二種方法使用較少的焦耳或更少的次序，增加與重疊。較小的斑點和無涂層（也稱為LSPwC）的較低激光能量。 盡管加工零件上的保護涂層可以防止表面燒蝕，同時保持較高的表面質(zhì)量，但這是一件非常耗時的事情，因為在LSP過程中覆蓋層受到嚴重損壞，并且需要頻繁 更換，從而使其在工業(yè)應用中變得緩慢并且昂貴。此外，由于部分噴丸處理可能無法應用保護性覆蓋，因此人們非常關注LSP處理，而不需要保護性覆蓋層。 然而，在該過程之后，由于局部表面燒蝕而獲得具有增加的表面粗糙度和波紋的典型表面凹坑，其繼而產(chǎn)生高壓等離子體，由于在樣品表面上流動的薄層水所包含，產(chǎn)生壓力波傳播到標本中?；诠_的文獻，關于疲勞裂紋擴展的沒有保護涂層的激光沖擊加工已經(jīng)進行了很少的全面研究，并且在隨后的研究程序中沒有評估疲勞特性以消除未涂保護層的LSP誘導的表面。 Rubio-Gonzalez等人研究了雙層非涂層LSP工藝對2205雙相不銹鋼和6061-T6鋁合金的緊密張力試樣的影響。結(jié)果證實，隨著脈沖密度的增加，F(xiàn)CG速率下降而斷裂韌性增加。 盡管有許多關于激光加工對材料疲勞裂紋擴展性能影響的研究，但是關于激光沖擊處理的不利影響的文獻是有限的。此外，所有上述研究都是在預先已知的疲勞預裂紋，低正弦波頻率和低周疲勞狀態(tài)下的高最大負荷之后進行的?？紤]到這一點，并且早期認識到過早失效在工程部件中起著至關重要的作用，未涂層LSP對疲勞裂紋擴展速率影響的詳細研究將得到評估。特別關注于確定高諧振頻率下動態(tài)載荷下的疲勞裂紋擴展行為， 使用小負載和高循環(huán)疲勞方案測量裂紋生長速率。為了獲得靜態(tài)載荷下最終破裂階段和未處理LSP試樣的斷裂韌性的定量比較。通過位錯排列，殘余應力和深度分布中的顯微硬度，由于局部表面熔化，電離，和激光過程中的再凝固而可能產(chǎn)生的軟化效應。所有正在研究的LSP樣品都要在后續(xù)的研磨過程中進行分析，以獲得合適的表面光潔度。 2試驗方法 2.1材料和標本制備 對商業(yè)鍛制的Al-Mg-Si鋁合金板用于疲勞裂紋擴展和斷裂韌性測試。三個樣本在未處理的條件下進行測試，并且三個樣本用不同的參數(shù)集進行LSP處理：LSP 1，LSP 2和LSP 3.使用0.35mm電線的放電加工制造凹口形成一個半徑為0.19毫米的凹口。用于Rumul Cracktronic裝置和Krak-gauge AMF-5測試的試樣的幾何形狀見圖2。使用所施加的應力強度范圍DK，根據(jù)該等式計算。 2.2激光沖擊處理 使用具有1064nm的照射波長：YAG激光器進行激光沖擊處理。最大激光束能量為2.8J/脈沖，而產(chǎn)生的高斯強度脈沖的FWHM（全寬度半最大值）為10ns。聚焦激光束直徑通過會聚透鏡的修改而變化。在LSP 1，LSP 2和LSP 3處理中使用的光束直徑設定為1.5，X 2.0和2.5毫米。在這項研究中，選擇了1600脈沖/cm的預定重疊脈沖密度，其中激光前進方向平行于軋制方向（L）。使用激光沖擊處理方法在沒有任何保護涂層的情況下對樣本進行照射，而激光脈沖重疊并且以鋸齒形圖案掃描（圖3）。使用設置的水射流形成薄水層并避免形成水泡或由材料燒蝕產(chǎn)生的雜質(zhì)濃度，因此，不斷確保純激光物質(zhì)相互作用。C（T）標本上的治療區(qū)域大約是10mm在樣品的兩側(cè)。對于透射電鏡微觀結(jié)構分析，額外的LSP標本準備使用。 圖1.拉伸和C（T）標本取向鋁 表格1平均測量的6082-T651板的拉伸性能 負載方向 L T 拉伸強度 - R\（MPa） 311 310 屈服應力 - R\（MPa） 296 295 伸長率 - A（％） 9.7 8.5 圖2 C（T）試樣的幾何形狀和測量電阻計AMF-5 圖3.激光沖擊處理設置和處理的C（T）樣品 圖4 C（T）試樣（a）不處理，（b）LSP 1處理后，（c）研磨后的LSP LSP處理后（圖4）。 在激光沖擊處理之前，沒有啟動預裂紋。 然而，用于TEM分析的樣本沒有以任何方式磨碎以獲得由激光噴丸處理產(chǎn)生的代表性微結(jié)構。 2.3表面粗糙度 在接近預加工切口的表面經(jīng)過激光表面處理之后，使用Surtronic 輪廓測量儀（Taylor Hobson）和xy微米滑動臺行程來測量表面輪廓和粗糙度。使用TalyProfile Lite v.3軟件，采用2.5微米的微粗糙度濾波比率和高斯濾波器來提取粗糙度參數(shù)。用于評估表面粗糙度的所選參數(shù)是R，它是與測量長度上的平均線的平均算術偏差。 用于測量粗糙度參數(shù)R的測量輪廓長度的LSP處理表面為16mm，而用于測量裂紋表面粗糙度的測量長度為2.5mm。 2.4射透電子顯微鏡 使用在200kV電壓下操作的JEOL 2000-FX透射電子顯微鏡（TEM）表征LSP對材料微結(jié)構的影響。為了獲得對微觀結(jié)構和位錯配置的LSP效應的正確認識，我們選擇不以任何方式研磨LSP表面.因為可能會丟失信息, 取而代之的是，我們在以下步驟中制備用于TEM分析的橫截面薄箔： （i） 用Gatan膠（中間處理過的表面）面對面地粘成兩塊LSP處理的樣品 （ii） 將橫截面標本切成 （iii）仔細研磨 （iv）沖出3mm直徑的圓盤， （v）通過Ar 轟擊離子稀化。平均而言，每個樣品條件的80個微觀結(jié)構圖像從原始表面的深度0至約500lm取得。為了方便起見，選擇具有最高位錯密度的圖像作為每個LSP處理條件的代表性圖像。 2.5顯微硬度 顯微硬度用微量維氏（Vickers）測試，使用Leica Microsystems的Leitz Wetzlar量具，使用0.071N的小載荷進行測量。 通過試樣的整個橫截面在垂直方向上進行壓痕。 為了獲得關于LSP對硬度影響的正確信息.表面未被研磨，因為硬化材料可能已被完全去除。在地表以下的第一次和最后10次測量是使用32μm的間距進行的，以增加感興趣的地下區(qū)域中的測量次數(shù)。 2.6殘余應力 殘余應力分析采用鉆孔松弛法,按照ASTM E 837-08鉆孔應變計法測定殘余應力的標準試驗方法進行[19]。Vishay Measurements Group（Vishay Intertechnology Inc.，Malvern，PA，USA）的產(chǎn)品測量設備用電阻計CEA-06-062UM-120測定殘余應力。使用帶千分尺的深度進料器鉆孔（分辨率0.01毫米）。鉆孔后測量鉆孔直徑，并使用光學Olympus宏觀顯微鏡，ColorView相機和AnalysisDocu軟件在三個位置進行平均。使用H-drill v3.10軟件和應力計算的積分方法計算最大和最小主殘余應力和方位角，應變偏差誤差估計值為3.2 lm。 2.7疲勞裂紋增長試驗 疲勞測試是在Russen-bergerPrüfmachinenAG的電磁驅(qū)動測試設備Cracktronic 8204上使用Fractomat進行的。 根據(jù)Cracktronic的可用測試空間和用于測量疲勞裂紋生長速率的標準測試方法ASTM E647進行測試。Cracktronic的基本模塊具有單獨的靜態(tài)和動態(tài)驅(qū)動器。 靜態(tài)負載由直流電機驅(qū)動的滾珠絲杠軸產(chǎn)生，并通過扭桿連接到擺動系統(tǒng)。 動態(tài)負載通過電磁驅(qū)動諧振器產(chǎn)生。電磁鐵集成在一個封閉的并且以其自然諧振頻率激勵振蕩系統(tǒng)，其中工作點位于諧振曲線的峰值處，典型頻率在50和200Hz之間。 動態(tài)和靜態(tài)部分由獨立電路控制，與Credo控制單元和計算機軟件相連，并允許任何高精度的應力比組合。使用最大載荷為8000N，分辨率為1N的Rumul稱重傳感器（壓電式）測量交變力。此外，具有彈性的樣本是系統(tǒng)的一部分。使用間接電勢降法連續(xù)監(jiān)測裂紋長度。在這種方法中，與“直接電位下降法”相比，電位值從薄的（5 lm）康銅電阻箔Krak-gages（型號RMF-A5）中取出，其中電位直接取出從標本。克拉克量規(guī)附著在樣品的兩側(cè)以監(jiān)測和平均裂紋長度。裂縫在量具中與試樣的實際裂紋同時增長。以0.001mm的分辨率記錄裂紋長度的測量結(jié)果，精度高于2％。誤差的主要來源是將試樣上的應變計粘貼在距離實際切口尖端半徑±0.2毫米處時的標準偏差。使用基于氰基丙烯酸酯的膠（Vishay Measurements）在光學宏觀范圍下在15-20放大率下使用與應變計粘合相同的技術進行Krak-測量儀的膠合。定位誤差通過空間校準顯微鏡測量。在實際電火花加工切口的定位誤差長度在開始切口尺寸輸入時考慮到了壓痕溫度。為了執(zhí)行DK = const，以恒定的R比進行測試，方程(1) 被集成在測試機軟件算法中以控制測試的動態(tài)力。使用兩種方法計算裂紋增長率。 該方法涉及Da / DN的直接點對點計算，其中與標稱裂紋長度的小偏差導致大的散射。第二種方法涉及使用最小二乘法擬合適當?shù)淖罴褦M合方程，這在第一節(jié)中描述3.5。 使用具有測量能力為50000N并具有1N分辨率的壓電力傳感器的通用測試機BETA 50Messphysik在疲勞裂紋擴展測試之后在緊密張力試樣上測量斷裂韌性K\。使用一種精度在2％以內(nèi)的光學激光散斑引伸計。在光學顯微鏡下從載荷線到裂紋前緣測量初始疲勞裂紋長度，其中測量誤差為±0.1mm。斷裂韌度在厚度依賴的平面應力或過渡平面應力/平面應變條件下進行。 使用Olympus立體顯微鏡SZX10和JEOL 5610掃描電子顯微鏡（SEM）進行斷裂分析。這些圖像是在疲勞表面上的預選位置以及從疲勞斷裂表面到韌性斷裂的過渡區(qū)域拍攝的。 3.結(jié)果與討論 3.1LSP處理過的表面的粗糙度分析 由于在激光沖擊處理過程中不存在吸收涂層，與未處理樣品相比，LSP處理樣品的平均算術粗糙度參數(shù)R\顯著增加（表2）。 接收狀態(tài)下的平均粗糙度為1.15 lm，而平均R\粗糙度。 在使用1.0,1.5,2.0mm束直徑的LSP之后，分別增加到7.3,10.4和7.92lm的值。 隨后在FCG測試之前將所有LSP樣品研磨至R\值為0.37-0.38lm。圖5顯示測量的輪廓，從未經(jīng)處理的表面開始，繼續(xù)到更粗糙的激光沖擊處理表面。 3.2透射電子顯微鏡 LSP處理的試樣的橫截面顯微結(jié)構顯示在圖6。強烈的應變硬化變形的證據(jù)在表面層中是明顯的，具有各種位錯排列。由于不同的地方使用不同的地區(qū)，地點之間的位錯不均勻LSP處理以及由于特定晶粒內(nèi)部和之間的塑性變形的非均質(zhì)性質(zhì)。 對比圖6b和d分別清楚地表明，試樣LSP1和LSP3分別獲得了最高和最低的位錯密度。 由于激光束直徑反映較小的激光強度和沖擊波壓力，因為強度與激光束面積成反比，所以這種結(jié)果是相當合理的。因此，LSP 1試樣的顯微組織（圖6a和b）揭示隨機排列的，具有位錯纏結(jié)和位錯壁的高密度位錯結(jié)構。 此外，確認了形成超細晶粒的晶粒細化，其可以有效地減少多晶金屬中的疲勞裂紋生長?？磥恚Я＜毣瘷C制主要是通過形成和演化有助于形成的位錯結(jié)構來實現(xiàn)的。 圖6. LSP處理樣品的透射電子顯微鏡（TEM）明場圖像; （a）LSP 1，（b）LSP 2和（c）LSP 表2基材和LSP表面的平均R\值 負載方向 L T 拉伸強度 - R\（MPa） 311 310 屈服應力 - R\（MPa） 296 295 伸長率 - A（％） 9.7 8.5 圖7.顯微硬度測量 圖8.殘余應力狀態(tài)的變化，（a）原樣收到，（b）LSP 3處理后 第19 頁 共20 頁 3.3 LSP處理的表面下層的硬度分析 由于應變硬化，與基礎材料相比，LSP處理可能導致次表層硬度增加。例如，岡薩雷斯等人的研究。對于脈沖密度分別為900和1200脈沖/ cm，Al-Mg-Si合金的LSP處理后的維氏顯微硬度在83 HV下分別增加到96和94 HV。圖7顯示位置和顯微硬度壓痕線。 相同合金系列上的載荷為0.071N的維氏硬度測量顯示LSP之后的次表層中沒有顯著的硬度變化。維氏壓痕的平均尺寸為11.16 lm（±0.27 lm）。對于硬度的恒定函數(shù)，殘差分析揭示了硬度的正態(tài)分布和108HV（±7HV）的平均值;基本上，所有測試樣本都具有相似的值。因此，LSP對地下和貫穿深度硬度的影響可以忽略不計。 在我們的研究中獲得的顯微硬度結(jié)果與Peyre等報道的一致。Fabbro等人關于激光沖擊噴丸在鋁合金上的應用。 他們的結(jié)果也表明LSP處理試樣的硬度性能幾乎沒有改善，與傳統(tǒng)噴丸處理試樣相比HV值更低。 據(jù)Fabbro等人稱這種行為可以用三種方式來解釋：圖8殘余應力狀態(tài)的變化，（a）原樣收到，（b）LSP 3處理后（i）沖擊持續(xù)時間非常短，因此硬度不能在材料內(nèi)部開始和傳播，（ii）與噴丸過程相比，沒有發(fā)生接觸變形，即沒有赫茲載荷和（iii）沖擊壓力通常低于噴丸處理的沖擊壓力。 3.4殘余應力 選擇處于接收狀態(tài)的試樣和研磨后的試樣LSP 3，用于利用鉆孔松弛方法分析殘余應力。圖8a表示冷軋后的母材的初期殘余應力狀態(tài)，在160℃下進行10小時的應力消除和時效處理。在鉆孔深度達0.5毫米的表面上，殘余應力的大小在0到50兆帕之間。 在0和-25MPa之間的壓縮應力的短暫過渡發(fā)生在0.65mm的深度，然后是漸變恢復0.9毫米的張力。圖8b顯示了LSP 3處理后殘余應力與鉆孔深度的函數(shù)關系。在地表以下的較低深度處，緩解的應力對于最大應力分量稍微處于拉伸狀態(tài)，對于最小主要應力分量略微壓縮。 LSP 3樣品的小表面壓縮RS很可能是由于局部表面熔化，電離和再固化引起的激光處理過程中的軟化效應。此外，與TEM微觀結(jié)構有很好的一致性，其中標本LSP3揭示了所有LSP處理的樣本中最低的位錯密度。盡管如此，從中可以看出圖8b殘余應力在rv0.05mm處變?yōu)榧兇獾膲嚎s，在0.25mm處達到-230MPa的最大壓縮RS。殘余應力完全保持在壓縮高達0.85毫米的深度，然后過渡到平衡拉伸殘余應力。應該指出的是，在1到9毫米深的板材區(qū)域內(nèi)沒有進行殘余應力測量。然而，為了平衡表面的壓應力，拉伸殘余應力很可能出現(xiàn)在試樣的中心。最近在Gill等人研究Inconel 718合金沒有保護涂層的LSP效應中也報道了類似的結(jié)果。他們的結(jié)果也證實了小的表面壓應力（50MPa），其本質(zhì)上變成了拉伸，并且從表面持續(xù)大約80lm，然后變?yōu)閴嚎s狀態(tài)。通過TEM，同一作者提出，在激光表面燒蝕過程中，沖擊波會將燒蝕的顆粒重新沉積到基體上，從而阻止晶粒細化。他們的建議與我們的結(jié)果部分一致，但僅限于LSP 3標本，因為LSP 1和LSP 2都顯示高位錯密度，位錯單元和細化晶粒。 3.5低應力強度水平下的疲勞裂紋擴展分析 為了研究LSP處理前后的疲勞裂紋擴展速率，疲勞預裂的標準程序為:在R = 0.1和在DK =常數(shù)時執(zhí)行。4兆帕/米裂紋長度為1.5毫米。預裂的長度是一致的，. 使用ASTM E640-05，其中預裂紋長度應至少為0.1 B或至少1 mm。預裂后，應力強度范圍DK從4MP/米增加到開始K減少測試值。K減少程序非常適用于低于10m /周期的疲勞裂紋擴展速率。在這種測試方法中，K值減小是通過開裂力來進行的，或者是連續(xù)的，或者是隨著裂縫的增長而增加的一系列步驟。根據(jù)指數(shù)函數(shù)設定應力強度范圍DK = Dk其中DK是應力強度的起始值，C是梯度值。在初步測試和Shelton等人的研究基礎上，脫落率的影響，梯度值C被設置為0.8毫米。初始值DK也是根據(jù)未經(jīng)處理和LSP處理的試樣的初步測試結(jié)果選定的。其目的是獲得最大DK間隔的數(shù)據(jù)（達到DK），用于選擇脫落參數(shù)和可用5 mm疲勞裂紋長度（Krak-gage AMF-5限制）。對于未處理的樣品1和未處理的樣品2.D從12MPam達到. 因此，本研究提出的LSP處理試件從較低的起始值7 MPam進行測試。在疲勞試驗的兩個階段中，試樣兩側(cè)均采用間接電位下降法監(jiān)測預裂過程和K減少試驗，試驗共振頻率和裂紋長度。圖9a表示疲勞裂紋長度作為預裂化和K減少試驗期間許多循環(huán)的函數(shù)，其中每條曲線代表單個試樣。 在該圖中，每個樣本都經(jīng)歷相同的測試參數(shù)制度。此外，裂紋方向沒有偏離對稱平面超過2°。從圖9a，很明顯，LSP處理過的試樣中的疲勞裂紋早于未處理過的材料。 周長的數(shù)量，需要增長一個precrack（的總長度1.5毫米）是最大的未處理標本和最低的LSP 3樣本。在1.2?1.5mm范圍內(nèi)的N-N曲線的線性部分，用正割法計算裂紋擴展速率，表3根據(jù)這些數(shù)據(jù)，計算出LSP 1，LSP 2和LSP 3試樣預裂前1.5倍所需的周期數(shù)分別減少了28％，33％和47％。 諧振測試頻率隨裂紋長度而減小，或者在缺口或裂紋尖端的應變硬化情況下增加。測試共振頻率是樣品彈性常數(shù)的函數(shù)。圖9b顯示了作為疲勞裂紋長度函數(shù)的測試頻率f。 總體而言，在未處理材料的測試過程中記錄的頻率最高。 由于缺口尖端的應變硬化效應，疲勞裂紋開始前，測試頻率略有增加。 破解之后生長穩(wěn)定，頻率隨裂紋長度而減小。 在達到1.5mm的預裂紋長度后，進行測試。 機器正在增加應力強度比范圍，直至達到7MPa/m。未處理的spec-imen在測試標本中處于最高水平和最凸面。從n = 5次基材測試中獲得的起始頻率標準偏差達到±2.1Hz。假設LSP處理標本的相似標準偏差是正確的，LSP處理之間測試頻率的差異不顯著。 在應力強度因子范圍增加之后立即發(fā)生裂紋增長的短暫初始加速。未處理試樣的初始疲勞預裂紋長度從1.5mm增加到1.64mm，LSP 1試樣的初始疲勞預制裂紋長度從1.64mm增加到LSP 2試樣的1.76mm和LSP 3試樣的1.81mm。 首先，使用點對點割線方法來生成Da / DN（DK）圖（圖10）來自（N）個數(shù)據(jù)。用這種方法疲勞裂紋擴展曲線中的連續(xù)實際a（N）的小誤差偏差導致更大的“散射”。測量的可變性可以觀察到三個測試未處理的樣本。數(shù)據(jù)顯示在圖10，可以得出結(jié)論，對于所有的標本數(shù)據(jù)顯示在圖10，可以得出結(jié)論，對于所有的標本經(jīng)過激光沖擊處理后，LSP 1，LSP 2和LSP 3顯示出較高的裂紋擴展速率，這支持了較早的結(jié)論。 相比之下，只有很小的差異之間的曲線。 圖9.監(jiān)測的疲勞裂紋長度和頻率隨循環(huán)數(shù)的變化而變化。 （a）疲勞裂紋長度，（b ）測試（共振）頻率 據(jù)Broek介紹，數(shù)據(jù)集（如圖所示）圖10）必須解釋，然后才能用于分析。為了獲得散點較少且沒有實際裂紋擴展長度的有意義變化的圖，根據(jù)最佳擬合方程計算新的da / dN數(shù)據(jù)。a（N）數(shù)據(jù)使用具有不同函數(shù)的最小二乘法擬合。例如，未處理標本的最佳擬合函數(shù)是Hocket-Sherby 2D函數(shù)。 圖11代表da / dN（DK）純化的疲勞裂紋擴展曲線，實際上沒有散射（由于連續(xù)函數(shù)的da / dN計算）以及Paris和NASGRO的擬合模型。模型系數(shù)以英寸表示表4。用于LSP處理標本中，F(xiàn)CG曲線不是S形，其斜率在4.6-4.9MPa/m處逐漸增加。對于巴黎區(qū)域，曲線擬合了LPS處理樣本的斜率變化。實驗數(shù)據(jù)顯示了斜率（膝蓋）的變化，其中使用了從DK到膝蓋以及從膝蓋到K\的一個功能。LSP 1和LSP 2的FCG曲線幾乎重疊，表明等裂紋增長率。在LSP 3試樣中發(fā)現(xiàn)了稍高的裂紋擴展速率。 因此，如果不進行多次重復，就不能得出關于LSP參數(shù)對疲勞裂紋擴展的影響的肯定結(jié)論。在3.36MPa/m的閾值水平下，基材中的疲勞裂紋不再傳播（da / dN≠0），而在同一個SIF處的LSP 3試樣中的裂紋正在傳播. 約3m /循環(huán)。因此，在最低閾值的LSP 3試樣中發(fā)現(xiàn)最高的疲勞裂紋擴展速率。值為1.1兆帕/米。雖然，LSP過程引起高密度的位錯，晶粒細化甚至是近表面的壓縮殘余應力，顯然這僅僅是不能有效地降低FCG速率。 很明顯，與未處理的試樣相比，所有LSP試樣都表現(xiàn)出較高的裂紋擴展速率，這是由于試樣中心處的平衡拉伸應力，這降低了裂紋閉合的影響。很明顯，殘余壓應力并沒有有效地降低裂紋擴展速率。Chahardehi等人他研究了由LSP產(chǎn)生的殘余應力的影響，他指出觀察到的裂紋的增長率受拉伸核心的影響要大于壓縮的表面應力。 在這項研究中，相對于循環(huán)次數(shù)測量的裂紋長度沒有顯示任何疲勞裂紋的延遲，這被認為是由于材料中的拉伸核心作為激光沖擊強化的“副產(chǎn)物”而出現(xiàn)的。 圖10.裂紋增長曲線da / dN與應用的DK，用直接割線方法獲得 圖11.裂紋增長曲線da / dN與應用的DK，從擬合方程中獲得 表4.PARIS和NASGRO方程的未處理和LSP 1，LSP 2，LSP 3處理標本的常量 不處理 8.37 . 10-9 3.73 3.36 9.56 . 10-11 2.75 0.93 1.2 – – – – LSP 1 3.4 . 10-11 3.72 1.4 1.05 . 10-10 2.70 0.45 0.9 3.5 . 10-11 4.10 4.5 0.6 LSP 2 3.4 . 10-11 3.73 1.4 1.15 . 10-10 2.70 0.45 0.9 1.5 . 10-10 3.57 6 0.6 LSP 3 7.4 . 10-10 3.52 1.1 1.80 . 10-10 2.70 0.45 0.9 9 . 10-10 2.50 6 0.6 還應該指出的是圖10和11為被繪制為應用的DK數(shù)據(jù)的函數(shù)。在低應力下裂紋發(fā)生，并且在臨界值附近影響增加。 據(jù)Borego等人和Gavras等人塑性誘導和粗糙誘導閉合機制是鋁合金的主要研究對象（其中6082-T6也是研究的主題）。考慮到這一點，校正的da / dN與DK曲線將從da / dN與DK數(shù)據(jù)向左偏移。 另一個需要注意的因素是LSP治療的順序。與大多數(shù)調(diào)查相反在預先存在的疲勞預制裂紋之后進行LSP，我們的標本在LSP之后進行預裂。其次，LSP在EDM切口的邊緣進行，這可能在切口邊緣上產(chǎn)生拉伸熱點。以前Ivetic等報道了類似的觀察結(jié)果。研究“未鍍膜”LSP工藝對開孔薄鋁7075-T73試樣的影響。他們的結(jié)果表明操作順序（第一個LSP和裸眼或反之亦然）對疲勞裂紋擴展行為具有巨大影響。此外，有人建議激光束通過孔內(nèi)側(cè)的“溢出”等離子體聚焦，產(chǎn)生局部拉伸熱點，這大大降低了疲勞壽命。 同一作者認為，這種效應僅影響裂紋萌生階段，因為一旦裂紋形成，殘余應力就會逐漸松弛。 3.6斷裂韌性 在FCG試驗后對C（T）試樣進行斷裂韌性K試驗以評價LSP處理的效果。為了滿足斷裂韌性測試中的平面應變條件，樣品的厚度B應該大于2.5（K/ rY）。所研究的6082-T651板的屈服應力和斷裂韌性為295MPa。此外，根據(jù)文獻綜述，6082-T6的斷裂韌性的預期值取決于時效硬化，在35-40MPa/m，因此，按照平面應變線彈性斷裂韌性試驗時，試樣厚度應為46 mm。由于厚度非常大的鋁板實際上很少有用，因此過渡平面應變,平面應力厚度相關測試非常普遍。對于較薄的鋁板，鋁合金B(yǎng) 646-12的斷裂韌性的標準實踐（a）厚度小于6.3mm的薄產(chǎn)品，（ii）中間板厚度，對于有效的平面應變斷裂韌性測試來說太薄，但對于處理為薄板，厚度太厚范圍從6.3到50毫米，和（三）相對厚的標本。B = 10mm的6082-T651鋼板劃分成（ii）中間厚度，其中斷裂韌性也應根據(jù)試驗方法E399（作為對鋁合金B(yǎng)645的線彈性平面應變斷裂韌性測試的標準實踐的補充。 使用三個未經(jīng)處理的樣本來測量平均斷裂韌度，而每個LSP處理使用單個樣本。表5 顯示了起始裂紋長度，a / W比，最大力P，參考力P\和斷裂韌性K的計算值。裂紋長度（即缺口和疲勞裂紋長度的總長度）在0.67和0.65之間（由ASTM E399推薦的介于0.45和0.55 W)。圖12顯示起始裂紋長度為0.71-0.74W的試樣的P-v圖。未處理試樣的平均斷裂韌度基于三個獨立測試被發(fā)現(xiàn)為37.8兆帕/米。LSP處理后，斷裂韌性為28。與未經(jīng)處理的材料相比降低了33％?？紤]到與基礎材料測試的標準差相似的值（±0.86 MPa/m）也適用于LSP處理，可以得出結(jié)論，在LSP處理的試樣中對斷裂韌性值沒有顯著影響（LSP 1 = 29.01，LSP 2 = 29.34和LSP3 = 28.21MPa/m）。 表5.LSP處理前后的平面應力斷裂韌性K\測試結(jié)果 未處理（3次重復） #1 19.88 0.71 2849 2620 38.72 37.8 ±0.86 #2 17.60 0.63 4175 3950 37.68 #3 18.65 0.67 3784 3430 37.00 激光沖擊治療后 LSP 1 20.30 0.72 2358 1960 29.01 LSP 2 20.65 0.74 2175 1840 29.34 – LSP 3 20.19 0.72 2058 1950 28.21 圖12.載荷 - 位移曲線 3.7分形分析 使用光學和掃描電子顯微鏡在不同放大倍數(shù)下比較未處理和LSP 3樣品的宏觀斷裂表面。 圖13a在代表性未處理的樣品中顯示出相對線性的形狀裂紋前緣。相反，圖13b顯示宏觀可以觀察到疲勞裂紋前緣的曲率。 因此，殘余應力的影響影響LSP處理試樣的裂紋擴展，疲勞裂紋長度隨深度增加而增加; 它是標本中間最大的。裂紋前緣的曲率可以通過在存在表面壓縮殘余應力的情況下兩側(cè)的裂紋延遲來解釋。相反，拉伸殘余應力具有不利影響，因為它們降低了裂紋閉合的影響。圖13b和d顯示了在斷裂韌性試驗期間發(fā)生的接近閾值應力強度和過渡到斷裂表面的疲勞裂紋表面的細節(jié)。 進行靜態(tài)斷裂韌性測試的表面的斷裂分析觀察顯示典型的凹痕破裂，其由稱為微孔聚結(jié)的過程引起。 在裂紋擴展的近閾值范圍內(nèi)，疲勞斷口表面沒有表現(xiàn)出典型的疲勞條紋，這對于階段I疲勞斷裂表面是常見的。影響疲勞裂紋表面視覺外觀的重要現(xiàn)象是裂紋閉合。疲勞期間接觸的裂紋表面限定了紋理和裂紋表面粗糙度。如前所述，在鋁合金應力強度范圍接近閾值時，主要發(fā)生粗糙引起的裂紋閉合。通常使用粗糙感應裂紋閉合來描述尺寸小的多面表面特征的接觸，例如，顆粒尺寸的順序?；赟EM顯微照片上的疲勞裂紋表面的視覺外觀，圖13b和d在接近閾值時，該基材具有刻面和圓形的乳溝飛機，隨后在40英尺處裂開。DK為3.3MPa/m。 相比之下，LSP 3標本更精細和平滑的粗糙表面，的相對較低閾值處的裂紋擴展停止區(qū)域的裂紋擴展。 該表面更光滑表明能量更低，更易碎。 圖13.疲勞和斷裂韌性測試后的斷裂表面 在LSP處理的樣本中沿著結(jié)晶平面發(fā)生斷裂。 此外，視覺宏觀檢查（光學宏觀奧林巴斯）證實，在LSP 3標本中，裂紋表面的中心部分看起來更平滑，特別是裂紋擴展方向。使用接觸輪廓儀（Taylor Hobson）和微米滑動臺測量裂紋表面的粗糙度。 如表1所示，粗糙度測量區(qū)域是裂紋表面中心部分2.5 mm的矩形區(qū)域圖14一個。 單個樣品上每個方向的測量線數(shù)量為8個，測量線偏移增量約為350 lm，測量線長度為2.5 mm。 根據(jù)這些值計算平均粗糙度值R和標準偏差并以直方圖表示，圖14灣 從結(jié)果可以看出，z方向的平均粗糙度是相似的（z方向的平均R\在16.2和17.5lm之間，并且具有平均標準偏差±2.45lm）。 此外，在z方向上的整體表面粗糙度R.比在x方向上高33-54％，這主要是由于在板制造期間軋制方向上的晶粒伸長的結(jié)果。直方圖顯示裂紋表面粗糙度的平均值在未處理的樣本中x方向上的R高于全部。 表六裂紋表面粗糙度測量R\[lm]在（x方向），n = 8用于測試樣品的相等性 i 1 2 3 4 5 6 7 8 不處理 7.82 13.2 7.98 9.37 11.0 11.30 12.7 14.7 LSP 1 5.4 7.35 5.0 10.5 7.81 11.10 5.68 8.2 LSP 2 5.9 5.98 8.47 9.2 4.02 9.04 4.27 7.2 LSP 3 8.85 12.3 8.04 7.89 8.85 6.29 6.42 8.4 在所有三種情況下，H假設被拒絕，這意味著未處理試樣的x方向裂紋粗糙度顯著高于LSP處理試樣的x方向粗糙度。但是，人們意識到，接觸輪廓儀的測量輪廓并不完全遵循裂紋表面的微粗糙度。然而裂紋表面粗糙度分析證實了視覺定性SEM和宏觀檢查結(jié)果。 所有上述結(jié)果表明，在部件表面上引入壓縮殘余應力時應該格外小心，該部件表面將在HCF狀態(tài)下受到動態(tài)負載。此外，盡管表面殘余應力測量技術通常用于預測疲勞壽命，但這不能作為最終的標準。為此，應該注意的是，雖然LSP已被廣泛認，用于改善金屬部件的疲勞壽命的先進性，且非常有效，但是工藝參數(shù)需要針對每種應用進行優(yōu)化，并且為了防止處理材料的任何有害影響操作應始終以最佳順序進行 4結(jié)論 LSP是增加動態(tài)加載組件壽命的創(chuàng)新新方法。盡管預計近表面的殘余應力和細化晶粒會延緩LSP后的FCG速率。但在此情況并非完全如此。 根據(jù)所進行的研究，可以得出以下結(jié)論： 1. 在LSP表面粗糙度處理之后，與未處理材料相比，參數(shù)Ra增加了7倍以上。 2．透射電子顯微鏡分析證實了位錯細胞和細化晶粒的糾纏錯位。 在LSP處理的C（T）試樣中發(fā)現(xiàn)LSP誘導的近表面壓應力。 3．未經(jīng)處理的試樣的裂紋增長 值高于LSP處理后。 4．在相同的測試條件下，與LSP處理的試樣相比，在未處理的試樣的測試中共振測試頻率更高。 5．在LSP兩種情況下裂紋增長速率都顯著增加。 6．LSP試樣獲得的斷裂韌性平均比未處理試樣低28％-33％。 7．在近臨界測試范圍內(nèi)的斷口分析顯示，LSP處理試樣的疲勞裂紋前緣和彎曲前緣的 裂紋表面粗糙度測量結(jié)果表明裂紋擴展的x方向的粗糙度低于z方向的粗糙度。 此外，未處理試樣的平均裂紋表面粗糙度（x方向）在試樣中心部分顯著高于選定試驗領域LSP 1，LSP 2和LSP 3試樣的平均裂紋表面粗糙度。 第20 頁 共20 頁