Особенности распределения остаточных напряжений и шероховатости, остающихся в материалах после лазерного ударного упрочнения

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

В настоящей статье разработана аналитическая модель, с помощью которой определяются остаточные напряжения, возникающие в материалах при воздействии многократных лазерных импульсов и шероховатость поверхности. Изучается влияние различных параметров технологии лазерного ударного упрочнения на величину остаточных напряжений, глубину их залегания и шероховатость поверхности для алюминиевого сплава В95. Установлено, что с увеличением плотности мощности лазерного излучения величина сжимающих остаточных напряжений и глубина их залегания растут, однако шероховатость поверхности при этом увеличивается. Показано, что с увеличением радиуса лазерного луча глубина залегания остаточных напряжений существенно увеличивается. Повышение коэффициента перекрытия приводит к увеличению величины остаточных напряжений, однако глубина сжимающих напряжений при этом практически не изменяется. Установлено, что при планировании экспериментов путем регулирования параметров лазерного ударного упрочнения всегда можно достичь максимально глубоких слоев сжимающих остаточных напряжений и меньшей шероховатости поверхности одновременно.

Full Text

Restricted Access

About the authors

Г. Ж. Сахвадзе

Институт машиноведения им. А. А. Благонравова РАН

Author for correspondence.
Email: sakhvadze@mail.ru
Russian Federation, Москва

References

  1. Bikdeloo R., Farrahi G., Mehmanparast A. еt al. Multiple laser shock peening effects on residual stress distribution and fatigue crack growth behaviour of 316L stainless steel // Theor. Appl. Fract. Mech. 2020. V. 105. P. 102429.
  2. Zhao J., Pan X., Li J. et al. Laser shock peened Ti-6Al-4 V alloy: experiments and modeling // Int. J. Mech. Sci. 2022. V. 213. P. 106874.
  3. Sakhvadze G. Zh., Sakhvadze G. G. Simulation of nanoparticle implantation into a material using a laser shock wave // J. of Mach. Manuf. and Reliab. 2024. V. 53. № 6. P. 609–616.
  4. Hfaiedh N., Peyre P., Song H. еt al. Finite element analysis of laser shock peening of 2050-T8 aluminum alloy // Int. J. Fatigue. 2015. V. 70. P. 480–489.
  5. Сахвадзе Г. Ж. Аналитическая модель определения остаточных напряжений, возникающих при обработке материалов по технологии лазерного ударного упрочнения // Проблемы машиностроения и автоматизации. 2025. № 1. С. 30–37.
  6. Fabbro R., Fournier J., Ballard P. еt al. Physical study of laser-produced plasma in confined geometry // J. Appl. Phys. 1990. V. 68. P. 775–784.
  7. Antoine J., Visa C., Sauvey C. еt al. Approximate analytical model for Hertzian elliptical contact problems // J. Tribol. 2006. V. 128. P. 660–664.
  8. Teimouri R., Amini S., Guagliano M. Analytical modeling of ultrasonic surface burnishing process: evaluation of residual stress field distribution and strip deflection // Mater. Sci. Eng. A. 2019. V. 747. P. 208–224.
  9. Sun R., Li L., Zhu Y. et al. Microstructure, residual stress and tensile properties control of wire-arc additive manufactured 2319 aluminum alloy with laser shock peening // J. Alloys Compd. 2018. V. 747. P. 255–265.
  10. Kolasangiani K., Farhangdoost K., Shariati M. еt al. Ratcheting assessment of notched steel samples subjected to asymmetric loading cycles through coupled kinematic hardening-Neuber rules // Int. J. Mech. Sci. 2018. V. 144. P. 24–32.
  11. Махутов Н. А., Резников Д. О. Методы оценки напряженно-деформированного состояния в зонах конструктивной концентрации при штатных и аварийных режимах нагружения // Проблемы безопасности и чрезвычайных ситуаций. 2018. № 4. С. 3–27.
  12. Zhang M., Liu Z., Deng J. еt al. Optimum design of compressive residual stress field caused by ultrasonic surface rolling with a mathematical model // Appl. Math. Model. 2019. V. 76. P. 800–831.
  13. Xu G., Luo K., Dai F. еt al. Effects of scanning path and overlapping rate on residual stress of 316L stainless steel blade subjected to massive laser shock peening treatment with square spots // Appl. Surf. Sci. 2019. V. 481. P. 1053–1063.
  14. Zhang M., Deng J., Liu Z. еt al. Investigation into contributions of static and dynamic loads to compressive residual stress fields caused by ultrasonic surface rolling // Int. J. Mech. Sci. 2019. V. 163. P. 105144.
  15. Miao H., Larose S., Perron C. еt al. An analytical approach to relate shot peening parameters to Almen intensity // Surf. Coat Technol. 2010. V. 205. P. 2055–2066.
  16. Zhang H., Cai Z., Guo W. et al. Experimental and numerical studies of fatigue behavior of Ti6Al4V alloy treated by laser shock peening // Surf. Coat Technol. 2022. V. 441. P. 128524.
  17. Sherafatnia K., Farrahi G., Mahmoudi A. Effect of initial surface treatment on shot peening residual stress field: analytical approach with experimental verification // Int. J. Mech. Sci. 2018. V. 137. P. 171–181.
  18. Zhao J., Dong Y., Ye C. Optimization of residual stresses generated by ultrasonic nanocrystalline surface modification through analytical modeling and data-driven prediction // Int. J. Mech. Sci. 2021. V. 197. P. 106307.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Trajectory of scanning the treated area 1 with laser pulses during LUU.

Download (122KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Zone of plastic deformations 1, arising after microdeformation, formed under the influence of a single laser pulse.

Download (32KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Changes in residual stresses σr along depth z that arise after LU with changes in: (a) – laser radiation power density I: 1 – I = 1 GW/cm2; 2 – I = 2 GW/cm2; 3 – I = 3 GW/cm2; 4 – I = 4 GW/cm2; 5 – I = 5 GW/cm2; 6 – I = 6 GW/cm2; (b) – laser beam radius r: 1 – r = 0.25 mm; 2 – r = 0.5 mm; 3 – r = 0.75 mm; 4 – r = 1 mm; 5 – r = 1.25 mm; 6 – r = 1.5 mm; (c) – overlap coefficient φ: 1 – φ = 20%; 2 – φ = 40%; 3 – φ = 60%; 4 – φ = 80%; 5 – φ = 99%.

Download (187KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. The influence of various parameters of the laser cutting unit on the surface roughness coefficient β: (a) – laser radiation power density I; (b) – laser beam radius r.

Download (97KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2025 Russian Academy of Sciences