电辅助激光冲击复合强化2024-T4铝合金数值模拟与实验研究

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电辅助激光冲击复合强化是一种新兴的表面强化方法,相较于激光冲击强化,脉冲电流的引入可以降低材料的流动应力,提高材料在变形过程中的塑性,从而导致复合强化后更深的硬化层、更高的表面硬度以及更大的残余压应力,使得强化效果更为显著。目前,关于电辅助激光冲击复合强化的研究较少,因此关于复合强化及其相关工艺参数对材料强化效果的影响,值得进一步的研究。本文以2024-T4铝合金为研究对象,通过单轴拉伸与分离式霍普金森杆实验的方法获取了其适用于复合强化的Johnson-Cook本构模型参数;基于理论分析、数值模拟和实验研究相结合的方法,探究复合强化对材料残余应力分布的影响,并分析复合强化工艺参数对强化效果的影响。本文的主要研究内容及结论如下:(1)分别进行了室温下无电流单轴拉伸实验、电脉冲辅助拉伸实验以及分离式霍普金森杆实验,获取了脉冲电流作用下以及高应变率下的2024-T4铝合金应力应变关系曲线。结果表明:随着电流密度、占空比以及电流频率的增加,材料的流动应力减小、延伸率增加;材料存在明显的应变硬化特性以及在室温下应变率敏感效应不显著。根据实验结果拟合得到了耦合电参数的Johnson-Cook本构模型参数。(2)采用实验获取的Johnson-Cook本构模型参数,建立电辅助激光冲击复合强化有限元模型;分析不同强化工艺下2024-T4铝合金的残余应力分布,并研究复合强化工艺参数对残余应力分布的影响规律。结果表明:相较于激光冲击强化,复合强化后材料表面残余应力分布更均匀平缓,作用层深度也更深,应力分布情况明显优于激光冲击强化;激光功率密度和脉宽的变化会影响复合强化后的残余应力分布;电流密度对残余应力分布影响较大,作用层深度随着电流密度的增加而增加,但当电流密度过大时,表面残余压应力减小;占空比的变化也会对复合强化后的残余应力分布产生影响。(3)根据数值模拟结果选择合理的工艺参数对2024-T4铝合金试样进行复合强化实验,并对强化后的试样进行残余应力、金相组织以及显微硬度测试。结果如下:不同电流密度下残余应力分布规律与数值模拟所得到的规律相同;对残余应力模拟值与实测值进行差异显著性检验,结果表明两组数据差异性不显著,验证了复合强化数值模拟的准确性。电流密度的改变对试样的金相组织有显著影响,随着电流密度的增加,试样的晶粒细化层越深;试样的显微硬度随着电流密度的增加而增加,并且硬化层深度也随之增加。
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