本文選題：表面織構(gòu)　切入點：激光沖擊　出處：《上海交通大學(xué)》2015年博士論文

【摘要】：摩擦導(dǎo)致的磨損是機(jī)械設(shè)備失效的最主要原因。因此,控制摩擦、改善潤滑與減少磨損已成為節(jié)約能源和原材料、綜合提高機(jī)械系統(tǒng)運轉(zhuǎn)效率和服役壽命的迫切需求。微坑陣列等表面織構(gòu)能夠有效改善摩擦副表面的摩擦學(xué)性能,延長摩擦副的使用壽命�；诩す鉀_擊效應(yīng)的微坑陣列加工方法是一種利用激光沖擊力學(xué)效應(yīng)的微坑加工新方法,目前人們對該工藝的工藝方法及所加工微坑陣列的摩擦學(xué)性能了解尚不系統(tǒng)和深入。本文以典型金屬材料作為研究對象,系統(tǒng)分析了基于激光沖擊效應(yīng)的微坑陣列加工工藝機(jī)理、工藝適用性、激光沖擊工藝參數(shù)對微坑陣列幾何物理性能的影響規(guī)律以及微坑陣列的摩擦磨損性能,為激光沖擊工藝參數(shù)選擇提供優(yōu)選策略。主要研究內(nèi)容包括:一、激光沖擊微造型工藝機(jī)理與工藝方法研究。結(jié)合激光誘導(dǎo)等離子體形成過程分析和高壓沖擊波作用下材料高應(yīng)變率動態(tài)響應(yīng)過程仿真建模,揭示了激光沖擊微造型工藝機(jī)理,并對微坑塑性變形狀態(tài)及殘余應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行了預(yù)測。通過考察典型金屬材料在激光沖擊微造型工藝中所制備微坑幾何形貌與尺寸的一致性,發(fā)現(xiàn)激光沖擊微造型工藝具有良好的工藝穩(wěn)定性和材料適用性,從而為激光沖擊微造型工藝規(guī)律分析奠定了重要的前提基礎(chǔ)�；诩す鉀_擊微造型工藝過程,提出了一種高應(yīng)變率條件下材料動態(tài)硬度的測試方法。二、激光沖擊微造型工藝影響規(guī)律研究。通過激光沖擊微造型試驗,系統(tǒng)研究了激光沖擊微造型工藝參數(shù)(激光功率密度、光斑直徑和重復(fù)沖擊次數(shù)等)對微坑幾何特征(直徑、深度及深徑比等)和微坑表面粗糙度、塑性變形層顯微硬度、晶粒尺寸等表面完整性的影響規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn),隨著激光功率密度的增大和激光重復(fù)沖擊次數(shù)的增加,微坑直徑、深度、深徑比、塑性變形層的硬化程度以及晶粒細(xì)化程度均增大,但由于應(yīng)變硬化作用,會表現(xiàn)出沖擊飽和效應(yīng)。隨著激光光斑直徑的增大,微坑直徑也相應(yīng)增大,但始終小于光斑直徑。在激光單脈沖能量一定的情況下,存在一個激光光斑直徑閾值,當(dāng)光斑直徑大于該閾值時,微坑深度、深徑比、塑性變形層硬化程度以及晶粒細(xì)化程度均隨著激光光斑直徑的增大而減小。當(dāng)光斑直徑小于該閾值時,在等離子體屏蔽效應(yīng)的作用下,隨著光斑直徑的增大,微坑深度、微坑塑性變形層硬化程度以及晶粒細(xì)化程度均隨之增大,微坑深徑比的變化因具體情況而異。激光沖擊微造型工藝對微坑表面粗糙度的改變?nèi)Q于材料的原始表面粗糙度及激光沖擊參數(shù)。當(dāng)材料原始表面粗糙度較大,且激光功率密度和重復(fù)沖擊次數(shù)較小時,微坑表面粗糙度小于原始表面粗糙度。反之,則大于原始表面粗糙度。三、動壓潤滑條件下微坑陣列的摩擦性能研究。在流體動壓潤滑條件下,通過三維計算流體動力學(xué)仿真的方法研究了微坑密度、微坑深徑比等微坑設(shè)計參數(shù)和雷諾數(shù)等流體特征參數(shù)對油膜的壓力分布、無量綱平均油膜承載力、無量綱平均油膜剪切力和動壓系數(shù)等摩擦性能參數(shù)的影響規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn),在流體動壓潤滑條件下,微坑提高摩擦副動壓性能的機(jī)理是微坑楔形效應(yīng)和渦流效應(yīng)的綜合作用;在本文研究的參數(shù)范圍內(nèi),存在最優(yōu)的微坑密度和微坑深徑比使油膜具有最佳的動壓性能;而且隨著雷諾數(shù)的增大,最優(yōu)微坑深徑比呈逐漸減小的趨勢,而最優(yōu)微坑密度保持不變。四、貧油潤滑條件下微坑陣列的摩擦學(xué)性能研究。在貧油潤滑條件下,通過設(shè)計合理的摩擦學(xué)試驗并建立摩擦性能評價方法,系統(tǒng)研究了不同轉(zhuǎn)速和載荷等工況條件下不同密度和深度微坑陣列的摩擦磨損性能。研究發(fā)現(xiàn),隨著微坑密度的增大,摩擦副的摩擦系數(shù)、最大承載力及失效時間等摩擦性能呈現(xiàn)先提高后降低的趨勢,說明存在一個最佳微坑密度范圍使摩擦性能達(dá)到最優(yōu),其機(jī)理是由于固-固接觸區(qū)域接觸比壓及固-液接觸區(qū)域潤滑作用的雙重效應(yīng);隨著微坑深度的增加,摩擦性能呈現(xiàn)逐漸提高的趨勢;同時,通過對磨損表面形貌和能量譜圖的分析發(fā)現(xiàn),激光沖擊微坑造型能夠有效降低摩擦副表面的磨粒磨損和粘著磨損。綜上所述,本文結(jié)合激光沖擊效應(yīng)形成過程分析和激光沖擊壓力作用下金屬高應(yīng)變率彈塑性動態(tài)響應(yīng)過程仿真研究,分析了激光沖擊微造型的工藝過程與機(jī)理。通過激光沖擊微造型工藝試驗,研究了激光沖擊微造型工藝的適用性和激光工藝參數(shù)對微坑幾何形貌、物理性能的影響規(guī)律。通過三維計算流體動力學(xué)數(shù)值仿真和摩擦學(xué)性能試驗的方法,研究了流體動壓潤滑和貧油潤滑條件下微坑陣列的摩擦磨損性能,為激光沖擊微坑陣列參數(shù)的主動優(yōu)化設(shè)計奠定了研究基礎(chǔ)。
[Abstract]:Wear caused by friction is the main reason for mechanical equipment failure. Therefore, the control of friction, improve the lubrication and reduce wear has become save energy and raw materials, improve the comprehensive demand of mechanical system operation efficiency and service life. The micro surface texture pit array can improve the tribological properties of the friction surface of the friction, prolong service life. Based on laser shock effect of micro pit array processing method is a kind of micro pits by laser shock mechanical effect of new processing method, the tribological properties of understanding the current process and the process of machining micro pits array is not systematic and in-depth. Based on the typical metal materials as the research object, system analysis micro pits array processing mechanism based on the effect of laser shock process, the applicability of laser shock parameters influence on physical properties of micro pits array geometry. The friction and wear properties of law and the micro pit array, providing optimal strategy choice for laser shock parameters. The main research contents include: first, research on micro molding process and the mechanism of laser shock process. Combined with the analysis of the forming process of laser induced plasma shock wave and high pressure for materials under high strain rate dynamic process simulation modeling, reveals laser shock micro molding process and mechanism of micro pit plastic deformation stress state and residual state were predicted. By examining the consistency of typical metal materials produced in the molding process in the preparation of micro laser shock crater geometric morphology and size, it is found that the laser shock micro molding process has the process of stability and good applicability, which laid the foundation for the premise of laser shock analysis of micro molding process of laser shock. Micro molding process based on a high Test method of material dynamic hardness variation conditions. Two, the study on the micro molding process of laser shock. By laser shock texturing test system of laser shock micro molding process parameters (laser power density, beam diameter and number of repeated impact of micro pits etc.) geometric characteristics (diameter, depth and aspect ratio etc.) and micro hole surface roughness, the plastic deformation layer microhardness, influence of grain size and surface integrity. The study found that with the increase of laser power density and laser repetition times of shock, crater diameter, depth, aspect ratio, degree of hardening plastic deformation layer and grain refinement increased, but due to the strain hardening effect, will show the impact saturation effect. With increasing the laser spot diameter, micro pit diameter also increases, but is always less than the spot diameter. In a single pulse laser energy Under the condition of the existence of a laser spot diameter threshold, when the spot diameter is greater than the threshold value, the crater depth, aspect ratio, plastic deformation hardening degree and grain refinement were decreased with increasing the laser spot diameter. When the spot diameter is less than the threshold value, the plasma shielding effect. With the increase of spot diameter, the depth of micro hole, micro hole plastic deformation hardening degree and grain size are increased, the micro pit depth diameter ratio variation due to laser shock varies according to the specific situation. The original surface texturing process of micro hole surface roughness change depends on the material roughness and laser shock parameters. When the original material surface roughness is larger, and the laser power density and the number of repeated impact is small, micro hole surface roughness is smaller than the original surface roughness. On the other hand, is greater than the original surface roughness. Three, hydrodynamic lubrication Study on friction properties of micro pits array conditions. In hydrodynamic lubrication conditions, through the method of three-dimensional computational fluid dynamics simulation of micro pit density, micro pit depth to diameter ratio of micro pit design parameters and Reynolds number fluid flow parameters on the oil film pressure distribution, the dimensionless average oil film bearing capacity. The dimensionless average oil film shear force and dynamic friction parameters of pressure coefficient are analyzed. The study found that in hydrodynamic lubrication conditions, improve the dynamic mechanism of micro pit friction pressure performance is the comprehensive effect of micro pit wedge effect and eddy current effect; the parameters in this paper, the existence of micro pit density the optimal and micro pit depth diameter ratio of the oil film dynamic pressure has the best performance; and with the increase of Reynolds number, the optimal crater depth diameter ratio decreases, and the optimal crater density remained unchanged. In four, poor lubrication conditions of micro pits Study on the tribological properties of array. In poor lubrication condition, the tribological experiment design and to establish a reasonable performance evaluation method of friction, friction and wear properties of the system were studied in different depth and density of different speed and load conditions of micro pits array. The study found that with the increase of micro pit density, friction coefficient. The maximum bearing capacity and the failure time of the friction performance increases at first and then decreased, indicating the existence of an optimum crater density range of the friction to achieve optimal performance, its mechanism is due to the dual effects of the solid solid contact area contact pressure and contact area of solid liquid lubrication; with the increase of micro hole depth, friction the performance showed a gradual increasing trend; at the same time, through the analysis of wear surface morphology and energy spectrum of the laser impact crater shape can effectively reduce the friction on the surface of abrasive grains Wear and adhesive wear. In conclusion, this paper combined with the effect of laser shock forming process analysis and laser shock metal pressure high strain plastic dynamic response simulation of elastic ratio, analysis of the laser shock process and micro molding mechanism. By making the micro laser shock process test, applicability and laser parameters of laser the impact of micro molding process of micro pit geometry, influence of physical properties. Through the method of three-dimensional computational fluid dynamics numerical simulation and experimental study of tribological properties, friction and wear properties of fluid lubrication and poor lubrication condition of micro pit array, active optimization for laser shock micro pit array parameter design for the basis of the research.

【學(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TG665;TH117.1

【相似文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 張永康;余承業(yè);;激光沖擊提高航空材料的疲勞壽命概述[J];電加工;1993年05期

2 ;激光沖擊處理的新活力[J];激光與光電子學(xué)進(jìn)展;1996年12期

3 范靜怡;激光沖擊處理[J];激光與光電子學(xué)進(jìn)展;1997年04期

4 肖愛民,楊繼昌,張永康;激光沖擊強化原理及應(yīng)用概述[J];電加工與模具;2000年06期

5 全宏聲;激光沖擊強化提高構(gòu)件疲勞強度[J];材料工程;2001年12期

6 謝頌京;張偉;;激光沖擊效果的影響因素及其發(fā)展趨勢[J];新技術(shù)新工藝;2006年10期

7 馬壯;李應(yīng)紅;張永康;任旭東;張凌峰;;激光沖擊處理對304不銹鋼力學(xué)性能的影響[J];材料熱處理學(xué)報;2007年03期

8 羅新民;馬輝;張靜文;張永康;;激光沖擊中的“應(yīng)變屏蔽”和“約束擊穿”[J];材料導(dǎo)報;2010年05期

9 羅新民;苑春智;任旭東;陳康敏;張永康;;激光沖擊超高應(yīng)變率對鈦板形變微結(jié)構(gòu)的影響[J];材料熱處理學(xué)報;2010年06期

10 徐國建;李挺;王虹;杭爭翔;邢飛;;激光沖擊處理的應(yīng)用[J];電焊機(jī);2010年11期

相關(guān)會議論文 前10條

1 吳先前;宋宏偉;魏延鵬;王曦;黃晨光;段祝平;;激光沖擊強化誘導(dǎo)的沖擊波壓力特征研究[A];第十屆全國沖擊動力學(xué)學(xué)術(shù)會議論文摘要集[C];2011年

2 阮亮;張文武;焦俊科;;激光沖擊強化研究現(xiàn)狀與發(fā)展[A];第15屆全國特種加工學(xué)術(shù)會議論文集（下）[C];2013年

3 鄒世坤;吳樹輝;曹子文;費群星;;激光沖擊處理焊接區(qū)在核反應(yīng)堆上的應(yīng)用[A];第13屆全國特種加工學(xué)術(shù)會議論文集[C];2009年

4 鄒世坤;曹子文;;鈦合金整體葉盤的激光沖擊強化[A];2009年先進(jìn)光學(xué)技術(shù)及其應(yīng)用研討會論文集（上冊）[C];2009年

5 汪誠;李應(yīng)紅;馬壯;趙雙成;周鑫;;航空部件激光沖擊強化系統(tǒng)與工藝研究[A];大型飛機(jī)關(guān)鍵技術(shù)高層論壇暨中國航空學(xué)會2007年學(xué)術(shù)年會論文集[C];2007年

6 任旭東;張永康;周建忠;李國杰;;激光沖擊提高鈦合金機(jī)械性能研究[A];光子科技創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)化——長三角光子科技創(chuàng)新論壇暨2006年安徽博士科技論壇論文集[C];2006年

7 任旭東;張永康;馮愛新;張西良;;激光沖擊中殘余應(yīng)力對鏈篦機(jī)零件裂紋的影響[A];2008全國功能材料科技與產(chǎn)業(yè)高層論壇論文集[C];2008年

8 胡永祥;姚振強;;基于高斯過程回歸的激光沖擊加工可靠建模方法研究[A];第15屆全國特種加工學(xué)術(shù)會議論文集（下）[C];2013年

9 羅龍錦;任志強;張宗林;;激光沖擊強化與噴丸提高不銹鋼疲勞性能對比研究[A];第十五屆中國科協(xié)年會第13分會場：航空發(fā)動機(jī)設(shè)計、制造與應(yīng)用技術(shù)研討會論文集[C];2013年

10 聶祥樊;臧順來;何衛(wèi)鋒;;激光沖擊“殘余應(yīng)力洞”敏感性分析與抑制方法研究[A];中國力學(xué)大會——2013論文摘要集[C];2013年

相關(guān)重要報紙文章 前4條

1 記者 張梅;首條激光沖擊強化生產(chǎn)線落戶航空基地[N];陜西日報;2008年

2 張梅;中國首條激光沖擊強化生產(chǎn)線在西安落戶[N];陜西科技報;2008年

3 陳軍;我國激光沖擊強化應(yīng)用技術(shù)取得重大突破[N];中國高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)導(dǎo)報;2009年

4 鄒世坤;激光沖擊強化：新一代抗疲勞表面強化技術(shù)[N];中國航空報;2013年

相關(guān)博士學(xué)位論文 前10條

1 魯金忠;激光沖擊強化鋁合金力學(xué)性能及微觀塑性變形機(jī)理研究[D];江蘇大學(xué);2010年

2 蘇孺;基于X射線衍射技術(shù)的金屬材料受限形變行為研究[D];北京理工大學(xué);2015年

3 王江濤;鋁合金及其焊接件激光沖擊強化抗環(huán)境損傷工藝與機(jī)理研究[D];江蘇大學(xué);2015年

4 李康妹;基于激光沖擊效應(yīng)的微坑加工方法及其摩擦學(xué)性能研究[D];上海交通大學(xué);2015年

5 鄭超;激光沖擊微成形工藝數(shù)值模擬及其實驗研究[D];山東大學(xué);2011年

6 胡永祥;激光沖擊處理工藝過程數(shù)值建模與沖擊效應(yīng)研究[D];上海交通大學(xué);2008年

7 羅開玉;激光沖擊不銹鋼抗腐蝕性能及微觀強化機(jī)理研究[D];江蘇大學(xué);2012年

8 車志剛;微尺度激光沖擊強化金屬靶材數(shù)值模擬與實驗研究[D];華中科技大學(xué);2009年

9 丁華;金屬板料激光沖擊變形機(jī)理及鋁板校形研究[D];江蘇大學(xué);2010年

10 葛茂忠;AZ31B變形鎂合金及其焊接件激光沖擊處理研究[D];江蘇大學(xué);2013年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前10條

1 黃婉婉;稠油熱采智能轉(zhuǎn)換接頭設(shè)計及抗腐蝕性能研究[D];江蘇大學(xué);2016年

2 李振;基于激光沖擊的鈦合金小孔構(gòu)件殘余應(yīng)力分布及疲勞性能研究[D];江蘇大學(xué);2016年

3 宣婷;激光沖擊表面微造型的理論和實驗研究[D];江蘇大學(xué);2016年

4 邵偉;激光沖擊強化對AZ80鎂合金微觀組織和電化學(xué)腐蝕的影響[D];江蘇大學(xué);2016年

5 徐士東;GH2036合金激光沖擊晶粒細(xì)化及耐腐蝕性能優(yōu)化研究[D];江蘇大學(xué);2016年

6 鮑士喜;耐熱馬氏體不銹鋼ЭП866激光沖擊強化組織與性能研究[D];江蘇大學(xué);2016年

7 邢佳;鎂合金激光沖擊植入納米SiC顆粒工藝與性能研究[D];江蘇大學(xué);2016年

8 王長雨;壓鑄鎂合金雙面激光沖擊強化殘余應(yīng)力和拉伸性能研究[D];江蘇大學(xué);2016年

9 杜金星;基于激光沖擊強化的擠壓模具延壽方法及機(jī)理研究[D];江蘇大學(xué);2016年

10 吳浩;基于激光沖擊的導(dǎo)軌表面形貌及性能研究[D];江蘇大學(xué);2016年

，

本文編號：1727760