丁　華，張智凱

( 江蘇大學(xué)　a.光子制造技術(shù)中心; b.汽車與交通工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江　212013)

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金屬材料塑性變形機制

丁華a，張智凱b

( 江蘇大學(xué)a.光子制造技術(shù)中心; b.汽車與交通工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江212013)

摘要：運用ABAQUS建立激光噴丸有限元模型，模擬研究不同材料的板材在激光沖擊后折彎角度的變化，并進行相關(guān)實驗，將仿真結(jié)果與實驗結(jié)果進行對比。結(jié)果表明：金屬材料HEL跟材料凹凸變形轉(zhuǎn)換范圍有關(guān)。

關(guān)鍵詞：激光噴丸成形；ABAQUS；金屬材料HEL

激光噴丸成形技術(shù)是在激光沖擊強化和機械噴丸的基礎(chǔ)上提出來的。與激光沖擊強化主要是改善零件疲勞壽命和提高抗腐蝕能力不同，激光噴丸成形采用高功率、超短脈沖的激光束代替有質(zhì)彈丸沖擊材料表面，將誘發(fā)的等離子體爆炸產(chǎn)生的沖擊波作為材料成形的動力來源，使得金屬零件發(fā)生塑性變形[1-2]。

2010年，Edwards等發(fā)現(xiàn)：在使用納秒激光進行薄板噴丸成形后，金屬薄板發(fā)生了彎曲，這種彎曲呈凹變形。江蘇大學(xué)張永康等[3-5]最先對激光沖擊處理工藝進行研究，隨后又在激光噴丸彎曲成形機理、激光誘導(dǎo)沖擊波壓力模型的建立、約束層對成形特性的影響、沖擊波壓力的測量和模擬、激光噴丸成形的數(shù)值仿真等方面進行了一系列的探討。胡永祥等[6]對激光噴丸彎曲變形機制進行了試驗和理論分析，結(jié)果表明：在不同的工藝參數(shù)和加工條件下，金屬薄板不僅能向靠近激光光束的方向，而且能向遠離激光光束的方向彎曲。隨著金屬薄板厚度的增加或者激光強度的降低，彎曲成形能夠從凹變形連續(xù)、光滑地轉(zhuǎn)變成凸變形。

雖然國內(nèi)外對激光噴丸成形進行了大量的研究，但是在金屬材料HEL與板材凹凸變形方面的研究還不多。本文運用ABAQUS建立1060Al板材和AZ31B板材在相同板厚、相同激光能量下的激光沖擊仿真模型，并進行相關(guān)實驗，分析不同HEL的材料所產(chǎn)生的折彎變形角度。

1板材折彎變形

激光噴丸成形是一個以力效應(yīng)為主導(dǎo)的成形過程。板料彎曲變形的實質(zhì)是激光脈沖誘導(dǎo)殘余應(yīng)力使得板料發(fā)生變形。因此，在分析激光噴丸板料彎曲變形時，可將激光噴丸引起的殘余應(yīng)力看作外力，將由殘余應(yīng)力產(chǎn)生的彎曲看作是外彎矩，分析在該彎矩下板材的彎曲變形問題。

當外力作用于板材時，原為直線的軸線發(fā)生變形成為曲線，這種形式的變形又稱為板的彎曲變形。而激光噴丸誘使板料產(chǎn)生的彎曲擾度通常小于板材的厚度，所以本文重點分析板的小揉度彎曲。板的小揉度彎曲理論是以基爾霍夫假設(shè)為基礎(chǔ)，其中基本假設(shè)主要包括如下4點[7]：

① 假設(shè)板料是均勻、連續(xù)的理想彈性體；

② 假設(shè)板料位移和變形是微小的；

③ 變形前與中面垂直的直線段在變形后始終保持為直線并仍與變形后的中面正交，這就是直法線假設(shè)；

④ 假定板材在變形過程忽略垂直于中面的法向應(yīng)力。

這些假設(shè)在滿足相對工程精度的同時大大簡化了求解過程。而且，采用基爾霍夫假設(shè)可將板的三維彎曲問題近似簡化為抽中面的二維彎曲問題。在進行板料彎曲的分析時可以采用與解決材料力學(xué)梁純彎曲問題相同的方法。

板材的激光噴丸成形其實質(zhì)是在激光脈沖的誘導(dǎo)應(yīng)力波的作用下，在材料內(nèi)部形成不均勻的應(yīng)力分布，使得板料上產(chǎn)生彎矩，在彎矩作用下產(chǎn)生彎曲變形。每一種材料的HEL不同，在材料內(nèi)部形成的應(yīng)力分布也不同，進而產(chǎn)生不同的彎曲變形。Schulz在金屬薄板的短脈沖激光噴丸成形方面進行了研究，他指出板料是否呈凹變形和呈凸變形是由局部塑性變形決定的。激光噴丸處理中板料既能產(chǎn)生凹變形，也能產(chǎn)生凸變形，這是由不均勻的應(yīng)力分布導(dǎo)致的，不同的應(yīng)力分布又是由材料的HEL不同導(dǎo)致的。不同的材料有不同的HEL，因此在相同條件下，材料會產(chǎn)生不同的變形。

2仿真

2.1有限元分析過程

運用ABAQUS建立在相同條件下不同材料的仿真模型，運用顯示分析ABAQUS/Explicit求解模塊，模擬金屬板料成形的過程，得到材料的動態(tài)響應(yīng)。然后將求解結(jié)果導(dǎo)入ABAQUS/Standard模塊進行金屬板料的回彈分析。

2.2激光沖擊波峰值壓力

激光噴丸成形動力來源于激光沖擊波的壓力。首先計算兩種材料在相同條件下的沖擊波的壓力。

Fabbro等[8]給出約束模式下激光沖擊波傳播一維模型，如圖1所示。

圖1　約束模式下激光沖擊波傳播一維模型

Fabbro等[9]發(fā)現(xiàn)，沖擊波持續(xù)時間可看作為激光脈寬的2～3倍，而洪聽也通過仿真分析得出加載時間為脈寬的3倍甚至更多。本實驗采用的激光寬度為8 ns，在模擬時將壓力波加載時間設(shè)為20 ns。計算出相同激光能量下兩種材料受到的激光沖擊波壓力。兩種材料的沖擊波分布對比如圖2所示。由圖2可以看出：在相同條件下，不同材料所產(chǎn)生的激光沖擊波壓力也不同。

圖2　兩種材料的沖擊波壓力分布對比

2.3材料的屈服極限及本構(gòu)模型

在高應(yīng)變率106s-1下，金屬板料的機械性能將發(fā)生改變。特別是板料的彈性模量和屈服強度都會發(fā)生不同的變化。所以，本文根據(jù)Ballard建立的激光沖擊波加載理論分析模型，定義材料的動態(tài)屈服強度為[10-11]

式中：σdyn為材料動態(tài)屈服強度；ν為材料的泊松比。

仿真時采用AZ31B和1060Al材料[12]，與實驗一致，并且認為材料各向同性，塑性應(yīng)變服從Von Mises屈服準則。模擬中調(diào)用ABAQUS中材料本構(gòu)模型和失效模型，并考慮應(yīng)變率的影響。

2.4仿真結(jié)果與分析

對0.5 mm AZ31B板材以激光能量0.1，0.2，0.3，0.4 J進行仿真模擬，得到板材的折彎變形角度。試樣在進行激光噴丸加載和靜態(tài)平衡分析后的折彎變形結(jié)果見圖3 (放大10倍)。

圖3　AZ31B板材折彎變形結(jié)果

對0.5 mm 1060Al板材以激光能量0.1，0.2，0.3，0.4 J進行仿真模擬，得到板材的折彎變形角度。試樣在進行激光噴丸加載和靜態(tài)平衡分析后的折彎結(jié)果見圖 4(放大10倍)。

圖4　1060Al板材折彎變形結(jié)果

使用origin將AZ31B與1060Al仿真結(jié)果進行對比，結(jié)果見圖5。由圖5可以發(fā)現(xiàn)：在相同條件下AZ31B折彎變形凹凸轉(zhuǎn)變機制厚度范圍比1060Al要小，整體折彎變形量也小于1060Al。

圖5　AZ31B與1060Al仿真結(jié)果對比

3實驗

實驗路線見圖6。采用3軸聯(lián)動工作臺用于精確定位試件的噴丸區(qū)域。由于采用不同的約束層(空氣、水)進行實驗，因此在進行水下激光噴丸實驗時還需要水箱。聚焦透鏡焦距為500 mm。激光束經(jīng)透鏡后再經(jīng)水箱表面方形K9窗口到達試件表面。

圖6　實驗路線

激光能量選擇0.1，0.2，0.3，0.4 J。能量使用激光功率能量測試儀(見圖7)標定。實驗結(jié)果在小型工具顯微鏡(JGX-1型)上進行彎曲角度的測量(見圖8)，工具顯微鏡精度為1’。激光噴丸折彎實驗臺架見圖9。兩種材料的折彎變形角度實驗結(jié)果見表1。

圖7　激光功率能量測試儀

圖8　工具顯微鏡

圖9　實驗臺架

表1　兩種材料的折彎變形角度

將實驗得到的兩種板材折彎變形角度進行對比后發(fā)現(xiàn)：在相同條件下，AZ31B變形角度范圍比1060Al小，整體折彎變形量也小。

4結(jié)果分析

實驗結(jié)果和仿真結(jié)果表明：材料HEL與材料凹凸變形轉(zhuǎn)換范圍有關(guān)。為了進一步分析這種關(guān)系，在相同條件下對ZK60鎂合金和6061-T6鋁合金進行有限元模擬。根據(jù)模擬結(jié)果繪制在0.2 J 激光能量下凹凸轉(zhuǎn)變厚度與材料HEL的關(guān)系曲線，見圖10。

圖10　材料HEL與凹凸轉(zhuǎn)換厚度關(guān)系

由圖10可見：在一定激光能量下，材料HEL值越大，凹凸變形轉(zhuǎn)變厚度值就越小；隨著HEL值的繼續(xù)增大，凹凸轉(zhuǎn)變厚度趨于平緩。因而影響板材凹凸變形轉(zhuǎn)變機制除了與金屬材料厚度和激光能量有關(guān)，還與材料的HEL有關(guān)。本研究為給定金屬材料選用合理工藝參數(shù)提供了參考。

參考文獻：

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(責任編輯劉舸)

Plastic Deformation Mechanism of Laser Bending Sheet Metals

DING Huaa, ZHANG Zhi-kaib

(a.Center for Photon Manufacturing Science and Technology;b.School of Automobtive and Traffic Engineering，Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China)

Abstract:We used ABAQUS to build the finite element model of laser peening to simulate the change of the bending angle of different materials after the laser peening, and then carried on the related experiments. Simulation results and experiment resultsd were comapred. Finally, we got the conclusion that the metal material’s HEL is related to the transformation range of the concave and convex deformation of the material.

Key words:nanosecond laser; ABAQUS; metallic material HEL

收稿日期：2016-01-10

基金項目：江蘇省博士后基金資助項目(1102111C)

作者簡介：丁華( 1976—)，男，江蘇南通人，博士，副教授，主要從事汽車先進制造技術(shù)及激光加工研究；張智凱(1990—)，男，江蘇南通人，碩士，主要從事汽車先進制造技術(shù)研究。

doi:10.3969/j.issn.1674-8425(z).2016.05.006

中圖分類號：TN249;TG39

文獻標識碼：A

文章編號：1674-8425(2016)05-0032-05

引用格式：丁華，張智凱.金屬材料塑性變形機制[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué))，2016(5):32-36.

Citation format：DING Hua, ZHANG Zhi-kai.Plastic Deformation Mechanism of Laser Bending Sheet Metals[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2016(5):32-36.