强流脉冲离子束辐照金属表面残余应力的热-力耦合形成机制研究

论文摘要

研究强流脉冲离子束（HIPIB）与材料表面相互作用的热学和力学耦合响应行为,以高熔点金属W为对象分析HIPIB辐照金属材料表面残余应力形成规律。建立了HIPIB辐照金属W的热-力耦合模型,充分考虑了温度、应变和应变率对材料流变应力的影响,采用热-弹-塑性完全耦合法计算了相同能量密度4.2 J/cm2下,3种不同脉冲宽度70 ns、7μs、70μs辐照的热-力耦合效应,分析了辐照金属材料的温度场、温度梯度场的时空演变过程及其耦合的力学响应规律,基于能量传递、转换和耗散过程揭示了金属表面残余应力的产生机制。研究结果表明:脉冲宽度70μs辐照的传热时间最长,热影响区最深、大于200μm,表面峰值温度仅约501 K,只发生了弹性变形,冷却后弹性变形完全回复,未形成残余应力;脉冲宽度7μs辐照表面峰值温度为978 K,冷却开始时热应力σ=671 MPa,低于该时刻的材料动态屈服强度,只在加热阶段发生塑性变形,最终表面塑性应变量为2.4×10-3,残余应力为1.2 GPa;脉冲宽度70 ns辐照的极短脉冲作用下,热能主要被材料近表层吸收,导致表层约1μm发生熔化,凝固冷却表层的塑性应变最大值处于2.5～10.0μm深度,冷却阶段还存在与升温阶段不同方向的塑性变形现象,最终塑性应变约3.0×10-3,残余应力为1.5 GPa。HIPIB辐照短脉冲作用过程中,离子动能转换为热能,快速加热材料并伴随着弹性或弹塑性热变形,且塑性变形过程中约96%的塑性功以热能形式耗散,HIPIB辐照金属W发生塑性变形的临界条件为热应力高于动态屈服强度,即σ（T）≥σy（T）,材料缺陷中存储的弹性应变能是表面残余应力形成的主要原因。

论文目录

• 0 前 言
• 1 理论模型
•   1.1 热源模型
•   1.2 有限元模型
•   1.3 温度场计算
•   1.4 应力场计算
•   1.5 HIPIB辐照工艺参数
•   1.6 残余应力测量
• 2 结果与分析
•   2.1 温度场演变规律
•   2.2 应力场演变规律
•   2.3 残余应力的形成
• 3 结 论

文章来源

类型: 期刊论文

作者: 张勤,朱小鹏,雷明凯

关键词: 强流脉冲离子束,脉冲宽度,塑性变形,表面残余应力,热力耦合

来源: 材料保护 2019年09期

年度: 2019

分类: 工程科技Ⅰ辑

专业: 金属学及金属工艺

单位: 大连理工大学材料科学与工程学院表面工程实验室

基金: 国家自然科学基金(51371043),973计划项目(2015CB057306),国家自然科学重点基金(U1508218)资助

分类号: TG174.4

DOI: 10.16577/j.cnki.42-1215/tb.2019.09.005

页码: 31-37

总页数: 7

文件大小: 615K

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