通过模拟分析 ,对激光毛化 18 8不锈钢的疲劳寿命与毛化覆盖率的关系进行研究 ,预测结果与相关实验结果进行对比。结果显示 ,由于激光毛化处理的影响 ,18 8不锈钢的疲劳寿命得到改善 ,而且在毛化覆盖率为 2 0 %左右时 ,材料疲劳性能最

刘敬

洪友士

赵亦兵

邓忠民

通过模拟分析,对激光毛化18 8不锈钢的疲劳寿命与毛化覆盖率的关系进行研究,预测结果与相关实验结果进行对比。结果显示,由于激光毛化处理的影响,18 8不锈钢的疲劳寿命得到改善,而且在毛化覆盖率为2 0 %左右时,材料疲劳性能最

Institute Of Mechanics,Chinese Academy of Sciences

激光毛化技术对 18-8不锈钢疲劳性能影响的研究*STUDY ON THE 18-8 STAINLESS STEEL FATIGUE PROPERTIES WITHDIFFERENT MELTING-SOLIDIFICATION ZONE COVERAGE RATES邓忠民**1  刘  敬 1   赵亦兵 2   洪友士2( 1.北京航空航天大学 宇航学院, 北京 100083)( 2. 中科院力学所 非线性力学国家重点实验室( LNM) ,北京 100080)DENG ZhongMin1  LIU Jin1  ZHAO YiBin2  HONG YouShi 2( 1. School of Space Technology , Beijing University of Aeronautics and Astronautics , Beijing 100083, China)( 2. State Key Laboratory of Nonlinear Mechanics , Institute of Mechanics ,Chinese Academy of Sciences , Beijing 100080, China)摘要  通过模拟分析,对激光毛化 18-8 不锈钢的疲劳寿命与毛化覆盖率的关系进行研究, 预测结果与相关实验结果进行对比。结果显示,由于激光毛化处理的影响, 18-8不锈钢的疲劳寿命得到改善,而且在毛化覆盖率为 20%左右时,材料疲劳性能最好。关键词  激光毛化  疲劳  18-8不锈钢  模拟分析  覆盖率中图分类号  TG665 TG142. 71 O346. 23Abstract  The relation between laser texturing overlaid rate and 18-8 stainless steel fatigue life was analyzed by numerical simula-tion and related experiments. The result shows that the fatigue life of 18-8 stainless steel is improved after laser texturing treatment, andits fatigue property is better when the laser texturing overlaid rate is about 20% .Key words Laser texturing; Fatigue;18-8 stainless steel; Simulation;Overlaid rateCorresponding author : DENG ZhongMin, E-mail: dengzm9742@263. net , Fax : + 86-10-82316530Manuscript received 20040425, in revised form 20040714.1  引言激光毛化技术是一种新型的材料处理工艺,其对材料的影响区仅局限于材料表面很薄的一层。主要用于提高与材料表面属性紧密相关的材料力学性能, 如材料的疲劳寿命和摩擦磨损性能[ 1]。激光毛化技术在材料表面形成一个个硬质点和微坑,单向拉拉循环载荷下,这些微区使得材料表层的应力应变分布不均匀, 容易萌生损伤,从而导致材料疲劳寿命降低;同时,由于激光毛化技术使材料表面产生残余压应力,残余压应力又能缓解表层损伤的萌生, 提高材料的疲劳寿命。因此, 激光毛化技术既有可能提高材料的疲劳寿命(当残余应力影响占优时) , 又有可能减低材料抗疲劳性能(当微缺陷(硬质点、微坑)的影响占优时)。本文通过模拟分析, 讨论激光毛化 18-8不锈钢( 1Cr18Ni9Ti)的拉拉疲劳性能,就毛化覆盖率对材料疲劳性能的影响进行分析预测,并与四种毛化覆盖率材料拉拉疲劳实验进行对比。2  基本公式材料疲劳寿命 N f 与材料参数之间的关系[2]为$Ee2=Rf cE( 2N f )b( 1)$Ep2= Ef ( 2N f )c( 2)$Et2=$Ee2+$Ep2=RfcE( 2N )b+ Ef c( 2N )c( 3)公式( 3) 仅仅对对称循环 R = - 1有效。若 R X- 1,式( 3) 修改为$Et2=Rf c - RmE( 2N )b+ Ef c( 2N )c( 4)式中 Rf c 为材料疲劳强度系数, Rm 为循环平均应力,Rm =Rmax + Rmin2, Ef c为材料疲劳延性系数, b为材料疲劳强度指数, c 为材料疲劳延性指数。对于经激光毛化处理的材料, 在其表层产生的残Journal of Mechanical Strength 机  械  强  度 2004, 26( S) : 154~ 156*** 邓忠民,男, 1968年 11月生,江西鄱阳人,汉族。副教授,博士,研究方向为飞行器结构强度、材料的力学性能。20040425收到初稿, 20040714收到修改稿。余应力将影响疲劳寿命。因此,式( 4) 可修改为[ 3]$Et2=Rfc - Rm- RrE( 2N )b+ Ef cRfc - RrRfccPb( 2N )c( 5)式中 Rr 为激光毛化处理的残余应力。材料的疲劳强度系数 Rfc、延性系数 Ef c、疲劳强度指数 b、延性指数 c不随毛化覆盖率发生变化, 且 b、c 为负数[ 4]。3  有限元分析模型由于激光毛化技术在材料表面形成有规律排列的硬化坑(图 1) , 为了分析材料毛化覆盖率对材料拉拉疲劳的影响,建立如下有限元分析计算模型(图 2)。图 1  CO2 激光毛化硬化坑形状Fig. 1  The CO2 laser textured hardness pit 图 2  计算模型Fig. 2  Calculate model 模型为一含有硬化点的试件, 试件表面按毛化覆盖率不同分布着硬质点。材料单调拉伸的应力应变关系见图3,弹性模量取 170 GPa, 基体屈服强度为 243MPa, 硬质点(图中材料表层曲线内) 的屈服强度为450MPa[6](从材料硬质点硬度与基体硬度对比换算得到) , 泊松比取为 0. 28。图 3  1Cr18Ni9Ti应力应变关系曲线Fig. 3  1Cr18Ni9Ti st ress-strain curve 激光毛化材料表面残余压应力大约为几十兆帕[ 6],表面残余压应力与毛化覆盖率的关系曲线假设为图4, 数值模拟在ABAQUS软件相应的模块上进行。图 4  残余压应力与毛化覆盖率的关系Fig. 4  The relation between laser texture overlaid rate and residents 4  结果和讨论模拟分析取覆盖率 K分别为 0%、12. 6%、15. 3%、19. 6%、25. 6%、35. 5%、55. 3%、75. 8% 试件。假设覆盖率为 0% 的材料疲劳寿命为 1,同时,不考虑材料弹性变形对寿命的影响, 则其他覆盖率材料相对于未处理不锈钢的寿命为lgEpEp ( K= 0)- K lg 1-RrRf c= c lg N ( 6)式中 N 为相对于未处理激光毛化材料寿命比。其他相关参数取如下数值, 疲劳强度系数 Rf c为 1 600MPa,疲劳延性指数 C 为- 0. 5,指数K = 16. 1。图 5  激光毛化覆盖率对材料拉拉疲劳寿命的影响Fig. 5  The relat ions betw een N and K 毛化覆盖率与材料疲劳寿命之间的关系见图 5。分析结果显示, 当应力低于硬化点屈服强度( 450MPa) ,而高于基体屈服极限( 243MPa) , 毛化覆盖率不同,材料相对疲劳寿命不同, 其中覆盖率为 20% 左右试样相对寿命 N 最好,与毛化覆盖率为 20% 左右, 材料高周疲劳寿命最好的实验结果[ 5](图 6) 相一致。对 第 26卷增刊 邓忠民等: 激光毛化技术对 18-8 不锈钢疲劳性能影响的研究 155  图 6  四种激光毛化覆盖率试样的 S ) N 曲线[6]Fig. 6  S ) N curves of four laser texturing rate overlaid samples [6] 图 7  激光毛化材料塑性应变分布图Fig. 7  Plast ic-strain dist ribut ion of laser texturing material s 比实验结果与分析结果得到, 图 7显示,除覆盖率为 0的点,应力为 420MPa 时, 曲线相对平坦, 相对寿命变化随毛化覆盖率变化不大;应力为 400MPa 时, 相对寿命随毛化覆盖率变化幅度要大一点。图 6也有同样的现象, 随应力增大,毛化覆盖率对寿命的影响减弱。至于分析结果中未处理试样的异常现象有待于进一步研究。  数值模拟结果还显示, 大塑性应变存在于硬质点之间(图 7)。据此可以推测, 材料疲劳裂纹萌生于此。疲劳试样断口形貌观察亦证实了这一点[6]。5  结论本文通过模拟分析, 对激光毛化覆盖率与材料拉拉疲劳寿命的关系进行初步预测, 与相应拉拉疲劳实验进行对比,趋势一致。模拟结果和实验结果都显示,激光毛化技术能改进 18-8不锈钢的疲劳性能, 并且在毛化覆盖率为 20% 左右时, 材料的抗疲劳性能最好。References1  Deng Z M, Zhao Y B, Hong Y S. Influence of microstructure onmaterial sfat igue lif e with dif ferent MSZ coverage rates under contact loads. KeyEngineering of Materials, 2003, 243-244: 219 ~ 223.2  Koh S K. Fatigue life simulation and estimation of an autofrettagedthick-w alled pressure vessel w ith an external groove. Int. J. Fat igue,1996, 18( 1) : 49 ~ 56.3  Duprat D, Davy A, Boets ch R, Boudet R. Fat igue damage calculat ion instress concentrat ion f ields under variable uniaxial stress. Int . J. Fat igue,1996, 18( 4) : 245~ 254.4  Suresh S, Translated by Wang Z G. Material fat igue. Beij ing:Nat ionalDefense Technology Press, 1993( In Chinese) ( Suresh S 著, 王中光译.材料的疲劳.北京:国防工业出版社, 1993) .5  Zhao Y B. Study on the surface microst ru cture and mechanical propert iesof 1Cr18Ni9Ti steel t reated by laser texture1Pr D Thesis2. Beijing:Inst itute of Mechanics, Chinese Academy S cience, 2004( In Chinese) (赵亦兵. 激光熔凝处理 1Cr18Ni9Ti钢表层组织与力学性能的影响1博士学位论文2. 北京:中国科学院力学研究所, 2004) .6  Peng L H. On propert ies of YAG laser textured steel sheets and claddingtechniques by YAG pulse laser 1Ph D Thesis2. Beij ing: Institute ofMechanics, Chinese Academy Science, 1997( In Chinese) ( 彭林华.YAG脉冲激光毛化钢板的性能和 YAG 脉冲激光表面涂覆的研究1博士学位论文2. 北京:中国科学院力学研究所, 1997) . 156 机   械   强   度 2004年  

激光毛化技术对18-8不锈钢疲劳性能影响的研究

© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.    http://www.cnki.net激光毛化技术对 1828 不锈钢疲劳性能影响的研究 ΞSTUDY ON THE 1828 STAINLESS STEEL FATIGUE PROPERTIES WITHDIFFERENT MELTING2SOLIDIFICATION ZONE COVERAGE RATES邓忠民ΞΞ1 　刘 　敬 1 　　赵亦兵 2 　　洪友士 2(1. 北京航空航天大学 宇航学院 ,北京 100083)(2. 中科院力学所 非线性力学国家重点实验室 (LNM) ,北京 100080)DEN G ZhongMin1 　LIU Jin 1 　ZHAO YiBin 2 　HON G YouShi 2(1. School of Space Technology , Beijing University of Aeronautics and Astronautics , Beijing 100083 , China)(2. State Key Laboratory of Nonlinear Mechanics , Institute of Mechanics ,Chinese Academy of Sciences , Beijing 100080 , China)摘要 　通过模拟分析 ,对激光毛化 1828 不锈钢的疲劳寿命与毛化覆盖率的关系进行研究 ,预测结果与相关实验结果进行对比。结果显示 ,由于激光毛化处理的影响 ,1828 不锈钢的疲劳寿命得到改善 ,而且在毛化覆盖率为 20 %左右时 ,材料疲劳性能最好。关键词 　激光毛化 　疲劳 　1828 不锈钢 　模拟分析 　覆盖率中图分类号 　TG665 　TG142. 71 　O346. 23Abstract 　The relation between laser texturing overlaid rate and 1828 stainless steel fatigue life was analyzed by numerical simula2tion and related experiments. The result shows that the fatigue life of 1828 stainless steel is improved after laser texturing treatment , andits fatigue property is better when the laser texturing overlaid rate is about 20 %.Key words 　Laser texturing; Fatigue ;1828 stainless steel ;Simulation ;Overlaid rateCorresponding author : DENG ZhongMin , E2mail : dengzm9742 @263. net , Fax : + 86210282316530Manuscript received 20040425 , in revised form 20040714.1 　引言激光毛化技术是一种新型的材料处理工艺 ,其对材料的影响区仅局限于材料表面很薄的一层。主要用于提高与材料表面属性紧密相关的材料力学性能 ,如材料的疲劳寿命和摩擦磨损性能[1 ] 。激光毛化技术在材料表面形成一个个硬质点和微坑 ,单向拉拉循环载荷下 ,这些微区使得材料表层的应力应变分布不均匀 ,容易萌生损伤 ,从而导致材料疲劳寿命降低 ;同时 ,由于激光毛化技术使材料表面产生残余压应力 ,残余压应力又能缓解表层损伤的萌生 ,提高材料的疲劳寿命。因此 ,激光毛化技术既有可能提高材料的疲劳寿命 (当残余应力影响占优时) ,又有可能减低材料抗疲劳性能 (当微缺陷 (硬质点、微坑)的影响占优时) 。本文通过模拟分析 ,讨论激光毛化 1828 不锈钢(1Cr18Ni9Ti)的拉拉疲劳性能 ,就毛化覆盖率对材料疲劳性能的影响进行分析预测 ,并与四种毛化覆盖率材料拉拉疲劳实验进行对比。2 　基本公式材料疲劳寿命 Nf 与材料参数之间的关系[2 ] 为Δεe2=σf ′E(2 Nf )b (1)Δεp2= εf (2 Nf )c (2)Δεt2=Δεe2+Δεp2=σf ′E(2 N)b+εf ′(2 N)c (3)公式 (3) 仅仅对对称循环 R = - 1 有效。若 R ≠- 1 ,式(3) 修改为Δεt2=σf ′ - σmE(2 N) b +εf ′(2 N)c (4)式中σf ′为材料疲劳强度系数 ,σm 为循环平均应力 ,σm =σmax +σmin2,εf ′为材料疲劳延性系数 , b为材料疲劳强度指数 , c 为材料疲劳延性指数。对于经激光毛化处理的材料 ,在其表层产生的残Journal of Mechanical Strength 机　械 　强 　度 2004 ,26 (S) :154～156ΞΞΞ 邓忠民 ,男 ,1968 年 11 月生 ,江西鄱阳人 ,汉族。副教授 ,博士 ,研究方向为飞行器结构强度、材料的力学性能。20040425 收到初稿 ,20040714 收到修改稿。© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.    http://www.cnki.net余应力将影响疲劳寿命。因此 ,式 (4) 可修改为[3 ]Δεt2=σf ′ - σm - σrE(2 N)b+εf ′σf ′ - σrσf ′cΠb(2 N)c(5)式中σr 为激光毛化处理的残余应力。材料的疲劳强度系数σf ′、延性系数εf ′、疲劳强度指数 b、延性指数 c 不随毛化覆盖率发生变化 ,且 b、c 为负数[4 ] 。3 　有限元分析模型由于激光毛化技术在材料表面形成有规律排列的硬化坑 (图 1) ,为了分析材料毛化覆盖率对材料拉拉疲劳的影响 ,建立如下有限元分析计算模型 (图 2) 。图 1 　CO2 激光毛化硬化坑形状Fig. 1 　The CO2 laser textured hardness pit　图 2 　计算模型Fig. 2 　Calculate model　模型为一含有硬化点的试件 ,试件表面按毛化覆盖率不同分布着硬质点。材料单调拉伸的应力应变关系见图 3 ,弹性模量取 170 GPa , 基体屈服强度为 243MPa , 硬质点 (图中材料表层曲线内) 的屈服强度为450 MPa[6 ] (从材料硬质点硬度与基体硬度对比换算得到) , 泊松比取为 0. 28。图 3 　1Cr18Ni9Ti 应力应变关系曲线Fig. 3 　1Cr18Ni9Ti stress2strain curve　激光毛化材料表面残余压应力大约为几十兆帕[6 ] ,表面残余压应力与毛化覆盖率的关系曲线假设为图 4 , 数值模拟在ABAQUS软件相应的模块上进行。图 4 　残余压应力与毛化覆盖率的关系Fig. 4 　The relation between laser texture overlaid rate and residents　4 　结果和讨论模拟分析取覆盖率λ分别为 0 %、12. 6 %、15. 3 %、19. 6 %、25. 6 %、35. 5 %、55. 3 %、75. 8 % 试件。假设覆盖率为 0 % 的材料疲劳寿命为 1 ,同时 ,不考虑材料弹性变形对寿命的影响 ,则其他覆盖率材料相对于未处理不锈钢的寿命为lgεpεp (λ = 0)- Klg 1 -σrσf ′= clg N (6)式中 N 为相对于未处理激光毛化材料寿命比。其他相关参数取如下数值 ,疲劳强度系数σf ′为 1 600 MPa ,疲劳延性指数 C 为 - 0. 5 ,指数 K = 16. 1。图 5 　激光毛化覆盖率对材料拉拉疲劳寿命的影响Fig. 5 　The relations between N andλ　毛化覆盖率与材料疲劳寿命之间的关系见图 5。分析结果显示 ,当应力低于硬化点屈服强度 (450MPa) ,而高于基体屈服极限 (243 MPa) ,毛化覆盖率不同 ,材料相对疲劳寿命不同 ,其中覆盖率为 20 % 左右试样相对寿命 N 最好 ,与毛化覆盖率为 20 % 左右 ,材料高周疲劳寿命最好的实验结果[5 ] (图 6) 相一致。对　第 26 卷增刊 邓忠民等 :激光毛化技术对 1828 不锈钢疲劳性能影响的研究 155 　© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.    http://www.cnki.net图 6 　四种激光毛化覆盖率试样的 S —N 曲线 [6 ]Fig. 6 　S —N curves of four laser texturing rate overlaid samples [6 ]　图 7 　激光毛化材料塑性应变分布图Fig. 7 　Plastic2strain distribution of laser texturing materials　比实验结果与分析结果得到 ,图 7 显示 ,除覆盖率为 0的点 ,应力为 420 MPa 时 ,曲线相对平坦 ,相对寿命变化随毛化覆盖率变化不大 ;应力为 400 MPa 时 ,相对寿命随毛化覆盖率变化幅度要大一点。图 6 也有同样的现象 ,随应力增大 ,毛化覆盖率对寿命的影响减弱。至于分析结果中未处理试样的异常现象有待于进一步研究。　　数值模拟结果还显示 ,大塑性应变存在于硬质点之间 (图 7) 。据此可以推测 ,材料疲劳裂纹萌生于此。疲劳试样断口形貌观察亦证实了这一点[6 ] 。5 　结论本文通过模拟分析 ,对激光毛化覆盖率与材料拉拉疲劳寿命的关系进行初步预测 ,与相应拉拉疲劳实验进行对比 ,趋势一致。模拟结果和实验结果都显示 ,激光毛化技术能改进 1828 不锈钢的疲劳性能 ,并且在毛化覆盖率为 20 % 左右时 ,材料的抗疲劳性能最好。References1 　Deng Z M , Zhao YB , Hong Y S. Influence of microstructure on materialsfatigue life with different MSZ coverage rates under contact loads. KeyEngineering of Materials , 2003 ,2432244 :219 ～ 223.2 　Koh S K. Fatigue life simulation and estimation of an autofrettagedthick2walled pressure vessel with an external groove. Int . J . Fatigue ,1996 ,18 (1) :49 ～ 56.3 　Duprat D ,Davy A ,Boetsch R ,Boudet R. Fatigue damage calculation instress concentration fields under variable uniaxial stress. Int . J . Fatigue ,1996 , 18 (4) :245 ～ 254.4 　Suresh S , Translated by Wang Z G. Material fatigue. Beijing :NationalDefense Technology Press , 1993 ( In Chinese) (Suresh S 著 ,王中光译.材料的疲劳. 北京 :国防工业出版社 ,1993) .5 　Zhao Y B. Study on the surface microstructure and mechanical propertiesof 1Cr18Ni9Ti steel treated by laser texture〔Pr D Thesis〕. Beijing :Institute of Mechanics , Chinese Academy Science , 2004 ( In Chinese) (赵亦兵. 激光熔凝处理 1Cr18Ni9Ti 钢表层组织与力学性能的影响〔博士学位论文〕. 北京 :中国科学院力学研究所 ,2004) .6 　Peng L H. On properties of YAG laser textured steel sheets and claddingtechniques by YAG pulse laser 〔Ph D Thesis〕. Beijing : Institute ofMechanics , Chinese Academy Science , 1997 ( In Chinese) ( 彭林华.YAG脉冲激光毛化钢板的性能和 YAG脉冲激光表面涂覆的研究〔博士学位论文〕. 北京 :中国科学院力学研究所 ,1997) .　 156 机 　　械 　　强 　　度 2004 年 　

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