强流脉冲离子束辐照金属表面残余应力的热-力耦合形成机制研究

关键词：强流脉冲离子束 脉冲宽度 塑性变形 表面残余应力 

摘要：研究强流脉冲离子束(HIPIB)与材料表面相互作用的热学和力学耦合响应行为,以高熔点金属W为对象分析HIPIB辐照金属材料表面残余应力形成规律。建立了HIPIB辐照金属W的热-力耦合模型,充分考虑了温度、应变和应变率对材料流变应力的影响,采用热-弹-塑性完全耦合法计算了相同能量密度4.2 J/cm2下,3种不同脉冲宽度70 ns、7μs、70μs辐照的热-力耦合效应,分析了辐照金属材料的温度场、温度梯度场的时空演变过程及其耦合的力学响应规律,基于能量传递、转换和耗散过程揭示了金属表面残余应力的产生机制。研究结果表明:脉冲宽度70μs辐照的传热时间最长,热影响区最深、大于200μm,表面峰值温度仅约501 K,只发生了弹性变形,冷却后弹性变形完全回复,未形成残余应力;脉冲宽度7μs辐照表面峰值温度为978 K,冷却开始时热应力σ=671 MPa,低于该时刻的材料动态屈服强度,只在加热阶段发生塑性变形,最终表面塑性应变量为2.4×10-3,残余应力为1.2 GPa;脉冲宽度70 ns辐照的极短脉冲作用下,热能主要被材料近表层吸收,导致表层约1μm发生熔化,凝固冷却表层的塑性应变最大值处于2.5~10.0μm深度,冷却阶段还存在与升温阶段不同方向的塑性变形现象,最终塑性应变约3.0×10-3,残余应力为1.5 GPa。HIPIB辐照短脉冲作用过程中,离子动能转换为热能,快速加热材料并伴随着弹性或弹塑性热变形,且塑性变形过程中约96%的塑性功以热能形式耗散,HIPIB辐照金属W发生塑性变形的临界条件为热应力高于动态屈服强度,即σ(T)≥σy(T),材料缺陷中存储的弹性应变能是表面残余应力形成的主要原因。

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