高能激光加载下钛合金厚板材层裂行为研究

论文摘要

航天航空、深海科研及军事领域中,时常要求材料和结构处于极端情况下。TC4钛合金是一种强度高、耐高温、耐腐蚀、可塑性强的结构金属,广泛应用于上述领域中。因此钛合金材料和结构的损伤层裂研究不仅在国民经济中,更在一国之科技发展中有着举足轻重的意义和价值。基于以上背景,本文以极高应变率下钛合金靶材表面的损伤层裂为研究对象,深入探讨激光加工参数对靶材层裂和形变的影响,尤其是与靶材厚度之间的关系。从损伤力学的角度探讨了层裂损伤的演化过程,分别讨论了纳秒激光和飞秒激光与不同厚度的TC4钛合金靶材之间的相互作用,研究了纳飞秒激光加载下的TC4钛合金靶材表面的损伤层裂行为。本文工作内容如下:（1）分析了纳飞秒激光与金属材料的相互作用机理,对比两者的区别。分析了金属材料发生层裂损伤的机理过程。（2）采用ABAQUS仿真软件搭建纳飞秒激光加载的TC4钛合金模型,通过调整激光的单脉冲能量、激光半径和靶材厚度,探讨以上参数对于TC4钛合金金属靶材的层裂损伤行为的影响。而纳飞秒激光加载金属材料模型计算结果显示当激光的单脉冲能量越大、光斑直径越大,靶材的厚度越小,靶材越容易发生层裂损伤行为。（3）根据纳飞秒激光的特性,设计实验方案,在实验室中根据仿真模型进行相应的纳飞秒激光加载TC4靶材实验,通过对回收靶材进行电镜扫描,观察TC4钛合金靶材表面的损伤情况,得出极高应变率载荷条件下的TC4钛合金靶材的损伤层裂结果。其中,当靶材厚度为0.05mm,纳秒激光加载下靶材出现层裂行为;而飞秒激光加载下利用合适的激光加工参数,靶材在厚度0.01mm-0.1mm范围内,获得微层裂形貌和层裂前期空洞生长、连通以及裂纹的生长、延展的现象,证明了飞秒激光与金属材料相互作用过程中产生力学效应并可以导致金属靶材的表面损伤层裂行为。本文获得的研究成果可以为高能激光加载下的TC4钛合金形变层裂研究提供数据和经验积累,同时也可以为TC4钛合金金属在航空军事领域及其工业加工过程中提供数据和方法参考。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
•   1.1 课题的来源及研究意义
•   1.2 国内外层裂损伤理论研究现状
•   1.3 国内外层裂损伤实验研究现状
•   1.4 国内外激光致材料层裂损伤模拟研究现状
•   1.5 本文工作内容
• 第二章 高能应变率下的钛合金材料的层裂研究
•   2.1 钛合金金属
•   2.2 层裂损伤演化过程
•     2.2.1 层裂研究概述
•     2.2.2 层裂机理
•   2.3 实验中层裂损伤研究方法
•     2.3.1 霍普金森压杆
•     2.3.2 炸药爆炸加载
•     2.3.3 气炮加载
•     2.3.4 加速器
•     2.3.5 激光加载技术
•   2.4 激光作用于材料表面的力学效应
•     2.4.1 纳秒激光与金属物质相互作用
•     2.4.2 飞秒激光与金属物质相互作用
•   2.5 金属靶材层裂形变与靶材厚度关系
•   2.6 本章小结
• 第三章 高能应变率下钛合金层裂形变预测及分析
•   3.1 ABAQUS有限元分析简介与损伤模型
•   3.2 激光峰值冲击力的估算
•   3.3 模型的建立与约束条件
•   3.4 模拟结果分析
•     3.4.1 简介
•     3.4.2 纳秒激光加载模型结果分析
•     3.4.3 飞秒激光加载模型结果分析
•   3.5 本章小结
• 第四章 高能应变率下钛合金实验及分析
•   4.1 装置
•   4.2 试样
•   4.3 实验结果分析
•     4.3.1 纳秒激光冲击实验结果分析
•     4.3.2 飞秒激光冲击实验结果分析
•   4.4 本章小结
• 第五章 总结与展望
•   5.1 全文总结
•   5.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的论文

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 范宁

导师: 姚红兵

关键词: 激光技术,层裂,有限元分析,失效分析

来源: 江苏大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑,信息科技

专业: 物理学,金属学及金属工艺,金属学及金属工艺,无线电电子学

单位: 江苏大学

分类号: TG146.23;TN249;TG665

总页数: 83

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