鎂合金表面激光剝蝕微造型及其微納米壓痕有限元模擬.pdf

1、鎂合金的使用和推廣是結(jié)構(gòu)減重的重要途徑，普通鎂合金由于表面力學(xué)性能差使用范圍極為有限。近代仿生學(xué)研究表明，于材料表面構(gòu)造微納米尺度的凹坑能夠改良摩擦磨損等表面力學(xué)性能。使用高功率密度激光照射材料能夠在基體表面形成半徑為微米尺度的蝕坑，這種表面造型的新思路稱為“激光剝蝕”。
　　本文使用ANSYS有限元軟件模擬了激光剝蝕AZ91D鎂合金的過程，并將剝蝕結(jié)果簡(jiǎn)化后導(dǎo)入ABAQUS中進(jìn)行具有粗糙表面基體的壓痕有限元模擬，以探討微造型工藝

2、對(duì)材料表面彈性模量和硬度的影響。短脈沖激光加工技術(shù)因兼具加工精度高、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，在激光表面改性領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。為探索短脈沖激光加工工藝參數(shù)與蝕坑成型之間的關(guān)系，許多學(xué)者通過數(shù)值模擬方法對(duì)此進(jìn)行了研究，本文在已有研究成果的基礎(chǔ)之上提出了一種新的算法，與傳統(tǒng)方法相比該算法能夠?qū)M足剝蝕條件的單元即時(shí)從基體中去除，更加符合實(shí)際物理過程，從而能夠?yàn)榧す鈪?shù)與微蝕坑造型之間的關(guān)系提供較為準(zhǔn)確的定義。模擬結(jié)果表明:激光功率密度高于某一臨界值

3、（約為0.3×109W/cm2）時(shí)，材料才能被剝蝕，蝕坑的半徑與激光光斑半徑基本相同;當(dāng)激光脈沖寬度為10ns時(shí)，單個(gè)脈沖所產(chǎn)生的剝蝕坑的深度會(huì)隨著激光能量密度的增大而增大，但增大趨勢(shì)會(huì)因等離子屏蔽效應(yīng)而逐漸變緩，熱影響區(qū)則不斷減小;脈沖能量密度保持不變，脈寬由500ps到50ns之間變化時(shí)，由于三種機(jī)制的同時(shí)作用，剝蝕坑深度先迅速增大后逐漸減小，熱影響區(qū)逐漸增大;多脈沖作用時(shí)剝蝕深度隨著脈沖個(gè)數(shù)的增加而線性地增加，剝蝕半徑逐漸逼近激光

4、光斑半徑，熱影響區(qū)變化不大?；诩す鈩兾g模擬結(jié)果，在ABAQUS中建立表面密布微蝕坑的三維有限元模型，進(jìn)行微納米壓痕有限元模擬。表面節(jié)點(diǎn)間距與激光光斑半徑相同，以構(gòu)造類似蝕坑形貌的結(jié)構(gòu)，并使用MATLAB編寫程序通過隨機(jī)改變表面各節(jié)點(diǎn)的高度獲得特定表面粗糙度，節(jié)點(diǎn)變化范圍參照激光剝蝕蝕坑深度。使用錐形解析剛體作為壓頭，模擬結(jié)果顯示:絕大多數(shù)情況下粗糙表面基體具有比光滑表面基體更高的表面彈性模量和硬度，其中表面粗糙度為500nm的基體最大

5、;總體上，表面硬度隨著壓入深度的增加逐漸減小，彈性模量隨壓入深度的增加逐漸變大，并漸趨穩(wěn)定?；谏鲜鲅芯糠椒ǎ覀儗⒍堂}沖微造型技術(shù)拓展到飛秒激光領(lǐng)域，在一定假設(shè)基礎(chǔ)之上獲得納米和亞微米級(jí)別的蝕坑，使用類似的方法將蝕坑引入到粗糙度模型中，以探索更小尺度下材料表面性能的改良。壓痕模擬結(jié)果表明，提高加工精細(xì)度，即減小蝕坑半徑，材料表面可獲得更高的彈性模量和硬度;在納米壓痕尺度范圍內(nèi)，彈性模量和硬度的變化趨勢(shì)與微米壓痕基本相同;熱殘余應(yīng)力對(duì)材