強流脈沖離子束輻照金屬表面殘余應(yīng)力的熱-力耦合形成機制研究
關(guān)鍵詞：強流脈沖離子束 脈沖寬度 塑性變形 表面殘余應(yīng)力
摘要：研究強流脈沖離子束(HIPIB)與材料表面相互作用的熱學(xué)和力學(xué)耦合響應(yīng)行為,以高熔點金屬W為對象分析HIPIB輻照金屬材料表面殘余應(yīng)力形成規(guī)律。建立了HIPIB輻照金屬W的熱-力耦合模型,充分考慮了溫度、應(yīng)變和應(yīng)變率對材料流變應(yīng)力的影響,采用熱-彈-塑性完全耦合法計算了相同能量密度4.2 J/cm2下,3種不同脈沖寬度70 ns、7μs、70μs輻照的熱-力耦合效應(yīng),分析了輻照金屬材料的溫度場、溫度梯度場的時空演變過程及其耦合的力學(xué)響應(yīng)規(guī)律,基于能量傳遞、轉(zhuǎn)換和耗散過程揭示了金屬表面殘余應(yīng)力的產(chǎn)生機制。研究結(jié)果表明:脈沖寬度70μs輻照的傳熱時間最長,熱影響區(qū)最深、大于200μm,表面峰值溫度僅約501 K,只發(fā)生了彈性變形,冷卻后彈性變形完全回復(fù),未形成殘余應(yīng)力;脈沖寬度7μs輻照表面峰值溫度為978 K,冷卻開始時熱應(yīng)力σ=671 MPa,低于該時刻的材料動態(tài)屈服強度,只在加熱階段發(fā)生塑性變形,最終表面塑性應(yīng)變量為2.4×10-3,殘余應(yīng)力為1.2 GPa;脈沖寬度70 ns輻照的極短脈沖作用下,熱能主要被材料近表層吸收,導(dǎo)致表層約1μm發(fā)生熔化,凝固冷卻表層的塑性應(yīng)變最大值處于2.5~10.0μm深度,冷卻階段還存在與升溫階段不同方向的塑性變形現(xiàn)象,最終塑性應(yīng)變約3.0×10-3,殘余應(yīng)力為1.5 GPa。HIPIB輻照短脈沖作用過程中,離子動能轉(zhuǎn)換為熱能,快速加熱材料并伴隨著彈性或彈塑性熱變形,且塑性變形過程中約96%的塑性功以熱能形式耗散,HIPIB輻照金屬W發(fā)生塑性變形的臨界條件為熱應(yīng)力高于動態(tài)屈服強度,即σ(T)≥σy(T),材料缺陷中存儲的彈性應(yīng)變能是表面殘余應(yīng)力形成的主要原因。
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