金属材料塑性变形机制

丁　华，张智凯

( 江苏大学　a.光子制造技术中心; b.汽车与交通工程学院，江苏 镇江　212013)



金属材料塑性变形机制

丁华a，张智凯b

( 江苏大学a.光子制造技术中心; b.汽车与交通工程学院，江苏 镇江212013)

摘要：运用ABAQUS建立激光喷丸有限元模型，模拟研究不同材料的板材在激光冲击后折弯角度的变化，并进行相关实验，将仿真结果与实验结果进行对比。结果表明：金属材料HEL跟材料凹凸变形转换范围有关。

关键词：激光喷丸成形；ABAQUS；金属材料HEL

激光喷丸成形技术是在激光冲击强化和机械喷丸的基础上提出来的。与激光冲击强化主要是改善零件疲劳寿命和提高抗腐蚀能力不同，激光喷丸成形采用高功率、超短脉冲的激光束代替有质弹丸冲击材料表面，将诱发的等离子体爆炸产生的冲击波作为材料成形的动力来源，使得金属零件发生塑性变形[1-2]。

2010年，Edwards等发现：在使用纳秒激光进行薄板喷丸成形后，金属薄板发生了弯曲，这种弯曲呈凹变形。江苏大学张永康等[3-5]最先对激光冲击处理工艺进行研究，随后又在激光喷丸弯曲成形机理、激光诱导冲击波压力模型的建立、约束层对成形特性的影响、冲击波压力的测量和模拟、激光喷丸成形的数值仿真等方面进行了一系列的探讨。胡永祥等[6]对激光喷丸弯曲变形机制进行了试验和理论分析，结果表明：在不同的工艺参数和加工条件下，金属薄板不仅能向靠近激光光束的方向，而且能向远离激光光束的方向弯曲。随着金属薄板厚度的增加或者激光强度的降低，弯曲成形能够从凹变形连续、光滑地转变成凸变形。

虽然国内外对激光喷丸成形进行了大量的研究，但是在金属材料HEL与板材凹凸变形方面的研究还不多。本文运用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冲击仿真模型，并进行相关实验，分析不同HEL的材料所产生的折弯变形角度。

1板材折弯变形

激光喷丸成形是一个以力效应为主导的成形过程。板料弯曲变形的实质是激光脉冲诱导残余应力使得板料发生变形。因此，在分析激光喷丸板料弯曲变形时，可将激光喷丸引起的残余应力看作外力，将由残余应力产生的弯曲看作是外弯矩，分析在该弯矩下板材的弯曲变形问题。

当外力作用于板材时，原为直线的轴线发生变形成为曲线，这种形式的变形又称为板的弯曲变形。而激光喷丸诱使板料产生的弯曲扰度通常小于板材的厚度，所以本文重点分析板的小揉度弯曲。板的小揉度弯曲理论是以基尔霍夫假设为基础，其中基本假设主要包括如下4点[7]：

① 假设板料是均匀、连续的理想弹性体；

② 假设板料位移和变形是微小的；

③ 变形前与中面垂直的直线段在变形后始终保持为直线并仍与变形后的中面正交，这就是直法线假设；

④ 假定板材在变形过程忽略垂直于中面的法向应力。

这些假设在满足相对工程精度的同时大大简化了求解过程。而且，采用基尔霍夫假设可将板的三维弯曲问题近似简化为抽中面的二维弯曲问题。在进行板料弯曲的分析时可以采用与解决材料力学梁纯弯曲问题相同的方法。

板材的激光喷丸成形其实质是在激光脉冲的诱导应力波的作用下，在材料内部形成不均匀的应力分布，使得板料上产生弯矩，在弯矩作用下产生弯曲变形。每一种材料的HEL不同，在材料内部形成的应力分布也不同，进而产生不同的弯曲变形。Schulz在金属薄板的短脉冲激光喷丸成形方面进行了研究，他指出板料是否呈凹变形和呈凸变形是由局部塑性变形决定的。激光喷丸处理中板料既能产生凹变形，也能产生凸变形，这是由不均匀的应力分布导致的，不同的应力分布又是由材料的HEL不同导致的。不同的材料有不同的HEL，因此在相同条件下，材料会产生不同的变形。

2仿真

2.1有限元分析过程

运用ABAQUS建立在相同条件下不同材料的仿真模型，运用显示分析ABAQUS/Explicit求解模块，模拟金属板料成形的过程，得到材料的动态响应。然后将求解结果导入ABAQUS/Standard模块进行金属板料的回弹分析。

2.2激光冲击波峰值压力

激光喷丸成形动力来源于激光冲击波的压力。首先计算两种材料在相同条件下的冲击波的压力。

Fabbro等[8]给出约束模式下激光冲击波传播一维模型，如图1所示。

图1　约束模式下激光冲击波传播一维模型

Fabbro等[9]发现，冲击波持续时间可看作为激光脉宽的2～3倍，而洪听也通过仿真分析得出加载时间为脉宽的3倍甚至更多。本实验采用的激光宽度为8 ns，在模拟时将压力波加载时间设为20 ns。计算出相同激光能量下两种材料受到的激光冲击波压力。两种材料的冲击波分布对比如图2所示。由图2可以看出：在相同条件下，不同材料所产生的激光冲击波压力也不同。

图2　两种材料的冲击波压力分布对比

2.3材料的屈服极限及本构模型

在高应变率106s-1下，金属板料的机械性能将发生改变。特别是板料的弹性模量和屈服强度都会发生不同的变化。所以，本文根据Ballard建立的激光冲击波加载理论分析模型，定义材料的动态屈服强度为[10-11]

式中：σdyn为材料动态屈服强度；ν为材料的泊松比。

仿真时采用AZ31B和1060Al材料[12]，与实验一致，并且认为材料各向同性，塑性应变服从Von Mises屈服准则。模拟中调用ABAQUS中材料本构模型和失效模型，并考虑应变率的影响。

2.4仿真结果与分析

对0.5 mm AZ31B板材以激光能量0.1，0.2，0.3，0.4 J进行仿真模拟，得到板材的折弯变形角度。试样在进行激光喷丸加载和静态平衡分析后的折弯变形结果见图3 (放大10倍)。

图3　AZ31B板材折弯变形结果

对0.5 mm 1060Al板材以激光能量0.1，0.2，0.3，0.4 J进行仿真模拟，得到板材的折弯变形角度。试样在进行激光喷丸加载和静态平衡分析后的折弯结果见图 4(放大10倍)。

图4　1060Al板材折弯变形结果

使用origin将AZ31B与1060Al仿真结果进行对比，结果见图5。由图5可以发现：在相同条件下AZ31B折弯变形凹凸转变机制厚度范围比1060Al要小，整体折弯变形量也小于1060Al。

图5　AZ31B与1060Al仿真结果对比

3实验

实验路线见图6。采用3轴联动工作台用于精确定位试件的喷丸区域。由于采用不同的约束层(空气、水)进行实验，因此在进行水下激光喷丸实验时还需要水箱。聚焦透镜焦距为500 mm。激光束经透镜后再经水箱表面方形K9窗口到达试件表面。

图6　实验路线

激光能量选择0.1，0.2，0.3，0.4 J。能量使用激光功率能量测试仪(见图7)标定。实验结果在小型工具显微镜(JGX-1型)上进行弯曲角度的测量(见图8)，工具显微镜精度为1’。激光喷丸折弯实验台架见图9。两种材料的折弯变形角度实验结果见表1。

图7　激光功率能量测试仪

图8　工具显微镜

图9　实验台架

表1　两种材料的折弯变形角度

将实验得到的两种板材折弯变形角度进行对比后发现：在相同条件下，AZ31B变形角度范围比1060Al小，整体折弯变形量也小。

4结果分析

实验结果和仿真结果表明：材料HEL与材料凹凸变形转换范围有关。为了进一步分析这种关系，在相同条件下对ZK60镁合金和6061-T6铝合金进行有限元模拟。根据模拟结果绘制在0.2 J 激光能量下凹凸转变厚度与材料HEL的关系曲线，见图10。

图10　材料HEL与凹凸转换厚度关系

由图10可见：在一定激光能量下，材料HEL值越大，凹凸变形转变厚度值就越小；随着HEL值的继续增大，凹凸转变厚度趋于平缓。因而影响板材凹凸变形转变机制除了与金属材料厚度和激光能量有关，还与材料的HEL有关。本研究为给定金属材料选用合理工艺参数提供了参考。

参考文献：

[1]王广龙,周建忠,张兴权,等.激光冲击波技术在金属表面改性和成形中的应用[J].农业机械学报,2005,6(12):48-152.

[2]丁华，李克勤.基于 ABAQUS 的激光喷丸成形有限元仿真[J].重庆理工大学学报(自然科学)， 2014(11):24-31.

[3]周建忠,张永康,周明，等.激光冲击成形技术的研究[J].激光技术,2002,26(6):478-480.

[4]周建忠,杜建钧,黄舒，等.金属板料的激光喷丸变形理论[J].材料研究学报,2009,21(6):622-626.

[5]周建忠,倪敏雄,张永康，等.金属板料激光喷丸成形理论研究与数值模拟[J].中国激光,2007,34(2):288-294.

[6]胡永祥.激光冲击处理工艺过程数值建模与冲击效应研究[D].上海:上海交通大学,2008.

[7]杨伯源.工程弹塑性力学[M].北京：机械工业出版社,2003.

[8]DEVAUX D,FABBRO R,TOLLIER L,et al.Generation of shock waves by laser-induced plasma in confined geometry[J].Journal of Applied Physics,1993,74(4):2268-2273.

[9]梁清香，张根全.有限元与MARL实现[M].北京：机械工业出版社，2014.

[10]BRAISTED W.Finite Element Simulation of Laser Shock Peening[J].International J Fatigue，1999，21(7)：719-724.

[11]DINGK Y.Three-dimensional Dynamic Finite Element Analysis of Multiple Laser Shock Peening Processes[J].Surface Engineering，2003，19(5)：351-358.

[12]葛茂忠.AZ31B变形镁合金及其焊接件激光冲击处理研究[D].镇江：江苏大学,2013.

(责任编辑刘舸)

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

基金项目：江苏省博士后基金资助项目(1102111C)

作者简介：丁华( 1976—)，男，江苏南通人，博士，副教授，主要从事汽车先进制造技术及激光加工研究；张智凯(1990—)，男，江苏南通人，硕士，主要从事汽车先进制造技术研究。

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

中图分类号：TN249;TG39

文献标识码：A

文章编号：1674-8425(2016)05-0032-05

引用格式：丁华，张智凯.金属材料塑性变形机制[J].重庆理工大学学报(自然科学)，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.