強流脈沖離子束輻照金屬表面殘余應力的熱-力耦合形成機制研究
關鍵詞：強流脈沖離子束 脈沖寬度 塑性變形 表面殘余應力
摘要：研究強流脈沖離子束(HIPIB)與材料表面相互作用的熱學和力學耦合響應行為,以高熔點金屬W為對象分析HIPIB輻照金屬材料表面殘余應力形成規律。建立了HIPIB輻照金屬W的熱-力耦合模型,充分考慮了溫度、應變和應變率對材料流變應力的影響,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,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響應規律,基于能量傳遞、轉換和耗散過程揭示了金屬表面殘余應力的產生機制。研究結果表明:脈沖寬度70μs輻照的傳熱時間最長,熱影響區最深、大于200μm,表面峰值溫度僅約501 K,只發生了彈性變形,冷卻后彈性變形完全回復,未形成殘余應力;脈沖寬度7μs輻照表面峰值溫度為978 K,冷卻開始時熱應力σ=671 MPa,低于該時刻的材料動態屈服強度,只在加熱階段發生塑性變形,最終表面塑性應變量為2.4×10-3,殘余應力為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,導致表層約1μm發生熔化,凝固冷卻表層的塑性應變最大值處于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象,最終塑性應變約3.0×10-3,殘余應力為1.5 GPa。HIPIB輻照短脈沖作用過程中,離子動能轉換為熱能,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發生塑性變形的臨界條件為熱應力高于動態屈服強度,即σ(T)≥σy(T),材料缺陷中存儲的彈性應變能是表面殘余應力形成的主要原因。
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