CN107679273A - 一种预估激光冲击强化后材料截面硬度的建模和计算方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及激光加工领域，具体指一种预估激光冲击强化后材料截面硬度的建模和计算方法。利用一般情况下激光冲击强化之后表面的硬度值以及基材硬度值来建立预估激光冲击强化后材料截面硬度的计算模型以及得出计算公式及方法，从而估算激光冲击强化之后截面的硬度值。本发明通过计算获得激光冲击强化之后的处理截面的硬度值的大致变化及变化趋势，并且可以通过该方法可以得出一般激光冲击强化参数下计算出表面的大致硬度值，从而可以根据所需获得的表面硬度在冲击之前初步的确定激光冲击强化的工艺参数，实现提高经济效益；也可以通过预算薄板单面冲击之后的未处理面的硬度值。

Description

一种预估激光冲击强化后材料截面硬度的建模和计算方法
技术领域
本发明涉及激光加工领域，尤其在对硬度有要求的方面，具体指一种预估激光冲击强化后材料截面硬度的建模和计算方法。
背景技术
激光冲击强化(laser shock peening/processing,LSP)是一种新型的表面强化技术，主要是采用短脉冲(几十纳秒)、高峰值功率密度(>109W/cm2)的激光辐照在金属表面，激光束通过约束层之后被吸收层吸收，吸收层从而获得能量形成爆炸性气化蒸发，产生高温高压的等离子体，由于外层约束层的约束，等离子体形成高压冲击波从而向材料内部传播，利用冲击波的力效应在材料表层发生塑性变形，使得表层材料微观组织发生变化，并在较深的厚度上形成残余压应力，而残余压应力层能有效地消除材料内部的应力集中和抑制裂纹的萌生和扩展，显著提高关键零件构件的疲劳寿命以及抗腐蚀和抗磨损能力。
激光冲击强化主要是通过激光束在表面进行冲击从而提升表面性能，还可以提升材料的表面及截面的硬度。Peyre等人研究激光冲击强化之后，在截面的梯度硬化层内，硬度是随深度的加深线性变化的直至最后达到基材的硬度[Materials Science&Engineering A 210(1996):102-113]。而且我们在研究镁合金激光冲击强化之后截面硬度变化时发现，硬度的变化与深度的关系也是一次函数的关系，呈线性分布[光学学报,2016(8):181-187]。
目前，在激光冲击强化技术的推广过程中，关于硬度的研究至关重要，但是在实际应用中，我们基本无法顺利的测量实际情况下处理之后关键构件的截面的硬度值，因此本发明可以给工程实际中所需要截面硬度值提供一个预估硬度值的方法。研究表明，本发明引入的一种预估激光冲击强化后材料截面硬度的建模和计算方法，可以通过计算获得激光冲击强化之后的处理截面的硬度值的大致变化及变化趋势，给工程实际提供一个参考，并且可以通过该方法可以得出一般激光冲击强化参数下计算出表面的大致硬度值，从而可以根据所需获得的表面硬度在冲击之前初步的确定激光冲击强化的工艺参数，实现提高经济效益；也可以通过预算薄板单面冲击之后的未处理面的硬度值，还可以用来计算激光冲击强化的硬度大致影响深度范围。
发明内容
本发明提供了一种预估激光冲击强化后材料截面硬度的建模和计算方法，为激光冲击强化实际工程应用中，关键重要构件处理之后，截面硬度值的预估提供了方法，使得激光冲击强化的得到了进一步地推广与应用。
为解决以上问题，本发明采用的具体方案如下：
(1)选取未处理原始材料材，在该基材上随机选取N1个点进行硬度值的测量，得出N1个硬度值，取N1数据的平均值，记为H0，作为基材的硬度值，其中N1≥3；
(2)随机选取激光冲击强化处理过的关键重要构件，在其表面随机选取N2个点进行硬度值的测量，得出N2个硬度值，取N2数据的平均值，记为H1，作为激光冲击强化表面的硬度值，其中N2≥3且N1和N2均属于独立参数；
(3)测量基材硬度值位置到处理表面的距离，记为h；
(4)计算线性参数计算深度x处的硬度值得出x处硬度的预估值H。
本发明作为一种获得最佳表面质量激光冲击强化工艺参数的建模和计算方法，并不仅仅适用于激光冲击强化，还适合在表面形成强烈的表面处理技术，如机械喷丸等。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为本发明所述模型解释图。
图2为本发明所述的获得最佳表面质量激光冲击强化工艺参数的建模和计算方法操作步骤流程图。
图3为本发明具体实施案例试样的尺寸图。
图4为本发明具体实施案例激光冲击强化之后截面硬度测量值的变化曲线以及计算预估值变化曲线。
表1为本发明具体实施案例预估的硬度值。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式做详细的说明，但本发明不应仅限于实施例。
本实施案例所采用的靶材为AM50镁合金，形状为30×20×3mm3的板状试样，具体尺寸如图3所示。
(1)选取未处理AM50镁合金，在该基材上随机选取5个点进行硬度值的测量，得出5个硬度值分别为：67HV,64HV,65HV,64HV,65HV,取这5个硬度值的平均值H0＝65HV，作为基材的硬度值；
(2)随机选取激光冲击强化处理过的AM50镁合金关键重要构件，在其表面随机选取5个点进行硬度值的测量，得出N2个硬度值分别为：85HV,83HV,86HV,82HV,84HV，取这5个数据的平均值H1＝84HV，作为激光冲击强化表面的硬度值；
(3)测量基材硬度值位置到处理表面的距离，记为h＝0.8mm；
(4)计算线性参数计算深度x处的硬度值得出x处硬度的预估值H。
我们首先选取x＝0,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,0.6mm并进行了硬度值的计算，得出了Hx＝0＝84HV，Hx＝0.1＝81.625HV，Hx＝0.2＝79.25HV，Hx＝0.3＝76.875HV，Hx＝0.4＝74.5HV，Hx＝0.5＝72.125HV，Hx＝0.6＝69.75HV，Hx＝0.7＝67.375HV，Hx＝0.8＝65HV，见表1。为验证此预估计算方法的正确性，我们截取激光冲击强化处理过的AM50镁合金关键重要构件冲击部位截面，分别测量距处理表面x＝0,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,0.6,0.7,0.8mm处的硬度值，并绘制成曲线，如下图4所示。
从图4中，我们可以看出，虚线为我们计算值绘成的硬度值线，而直线为所测真实硬度值，我们发现计算预估硬度值与真实硬度值相差很小，均在误差范围内，可以作为真实值所用。
因此，可得出结论：本发明可以为工程实际情况下截面硬度不易获得的情况下提供一种预估方法。上述实验已经做了验证，与理论模型基本一致，验证了此模型的正确性。
表1

Claims (5)

1.一种预估激光冲击强化后材料截面硬度的建模和计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)选取未处理原始材料材，在该基材上随机选取N1个点进行硬度值的测量，得出N1个硬度值，取N1数据的平均值，记为H0，作为基材的硬度值；
(2)随机选取激光冲击强化处理过的关键重要构件，在其表面随机选取N2个点进行硬度值的测量，得出N2个硬度值，取N2数据的平均值，记为H1，作为激光冲击强化表面的硬度值；
(3)测量基材硬度值位置到处理表面的距离，记为h；
(4)计算深度x处的硬度值得出x处硬度的预估值H。
2.如权利要求1所述的一种预估激光冲击强化后材料截面硬度的建模和计算方法，其特征在于：所述步骤(1)中，N1≥3。
3.如权利要求1所述的一种预估激光冲击强化后材料截面硬度的建模和计算方法，其特征在于：所述步骤(2)中，N2≥3。
4.如权利要求1所述的一种预估激光冲击强化后材料截面硬度的建模和计算方法，其特征在于：N1，N2均为独立参数，无约束关系。
5.如权利要求1所述的一种预估激光冲击强化后材料截面硬度的建模和计算方法，其特征在于：所述步骤(4)中，k为线性参数。
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CN105136593A (zh) * 2015-08-20 2015-12-09 江苏大学 一种激光冲击强化后金属表层显微硬度的无损检测方法
CN105177273A (zh) * 2015-09-30 2015-12-23 江苏大学 一种提高关键重要构件疲劳强度的激光冲击强化方法

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花银群: "激光冲击强化处理40Cr钢的实验研究", 《中国激光》 *

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